Elettronica

 

 

 

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L’elettronica è il settore dell'ingegneria e della fisica applicata: comprende studi e ricerche per progettare e successivamente applicare apparecchi che permettono la trasmissione, la ricezione e la memorizzazione di informazioni, basando il loro funzionamento sulle variazioni di alcune grandezze elettriche fondamentali (corrente, tensione, carica, ecc.). L'informazione trasmessa può essere vocale o musicale (segnali audio) come in un apparecchio radio, grafica come sullo schermo televisivo, numerica o del tipo dei dati utilizzati da un computer. Tali informazioni sono elaborate e trasmesse per mezzo di circuiti elettronici, che operano sfruttando le proprietà e il moto di elettroni. I circuiti elettronici forniscono diverse funzioni: tra queste, l'amplificazione di segnali deboli fino a un livello utilizzabile, la generazione di onde radio, l'estrazione di informazioni, la modulazione e l'insieme di operazioni logiche che avvengono in un computer.

CENNI STORICI

L'introduzione del tubo a vuoto, all'inizio del XX secolo, fu il punto di partenza del rapido sviluppo della moderna elettronica. Con questi dispositivi divenne infatti possibile la manipolazione e l'amplificazione dei segnali, cosa fino ad allora impossibile. Deboli segnali radio e audio poterono essere amplificati, e segnali musicali o vocali poterono venire sovrapposti alle onde. Lo sviluppo di diverse varietà di tubi, progettati per funzioni specializzate, permise il rapido progresso della tecnologia delle radiocomunicazioni prima della seconda guerra mondiale, mentre durante la guerra apparvero i primi calcolatori elettronici, che utilizzavano migliaia di tubi a vuoto.
Il transistor, inventato nel 1948 dai fisici americani J. Bardeen e W.H. Brattain, oggi ha quasi completamente sostituito i tubi a vuoto nella maggior parte delle applicazioni. Costituito da una combinazione di materiali semiconduttori messi in comunicazione attraverso contatti elettrici, questo dispositivo svolge le stesse funzioni di un tubo a vuoto, ma con costi, peso e consumo di potenza assai ridotti e con maggiore affidabilità. Successivi progressi della tecnologia dei semiconduttori portarono allo sviluppo dei circuiti integrati, che nei primi esemplari contenevano solo una decina di transistor, ma che oggi arrivano a includerne fino a centinaia di migliaia. In seguito sono apparsi i microprocessori, circuiti integrati realizzati con un unico piccolo blocco di materiale, sul quale sono inseriti centinaia di migliaia di transistor, che costituiscono l'unità centrale di elaborazione di tutti i computer attuali. Oggi le applicazioni dell'elettronica spaziano dai computer agli apparecchi elettrodomestici, dagli apparecchi audio-visivi ai satelliti per telecomunicazioni.

COMPONENTI ELETTRONICI

I circuiti elettronici sono costituiti da componenti elettronici interconnessi. Questi possono essere suddivisi in passivi e attivi: tra i primi sono compresi resistori, condensatori e induttori; i secondi includono batterie, generatori, tubi a vuoto e transistor.
Elementi passivi
Si definiscono elementi passivi quei componenti circuitali nei quali parte dell’energia fornita al circuito è dissipata sotto forma di calore (resistori) o immagazzinata sotto forma di energia elettrica (condensatori) o magnetica (induttori).

Resistori  

Se una batteria è collegata ai due estremi di un conduttore, in quest'ultimo scorrerà una corrente. L'intensità della corrente dipende dalla tensione fornita dalla batteria, dalle dimensioni del conduttore e dalla conducibilità del materiale. Per controllare la corrente nei circuiti elettronici s’impiegano i resistori, particolari componenti di resistenza nota, realizzati con miscele di carbone, sottili strati metallici o fili metallici, e dotati di due terminali per la connessione esterna. Resistori variabili, dotati di un contatto strisciante regolabile, sono impiegati, ad esempio, per il controllo del volume di apparecchi radio e televisori.

Condensatori

I condensatori sono costituiti da due fogli metallici (armature), in genere piani, separati da uno strato di materiale isolante. Se si collega una batteria alle armature, sulle due piastre si accumulano cariche uguali e opposte, fino a che la differenza di potenziale fra le armature è pari alla tensione fornita dalla batteria. Se si rimuove la batteria, le armature trattengono la carica accumulata e la tensione associata, finché la carica si allontana dalle piastre attraverso il materiale isolante. Variazioni rapide di tensione, come nei segnali audio o radio, producono perciò rapidi flussi di carica verso e dalle armature; il condensatore si comporta dunque come un conduttore per una tensione variabile e come un circuito aperto per una tensione costante.
Induttori
Un induttore è costituito da un filo conduttore avvolto in forma di bobina. Quando la bobina è percorsa da corrente, si produce un campo magnetico che tende a opporsi a rapide variazioni della corrente stessa. Un induttore può essere usato per distinguere segnali rapidamente variabili da quelli a variazione lenta: in particolare, quando è percorso da una corrente continua l'induttore si comporta come un corto circuito. Se un induttore è posto in serie a un condensatore, la tensione ai suoi capi raggiunge il valore massimo per una particolare frequenza, detta frequenza di risonanza, che dipende dalle caratteristiche dei due componenti, ovvero dalla rispettiva induttanza e capacità. Questo principio è applicato nei radioricevitori, nei quali si seleziona una determinata frequenza modificando, mediante un condensatore variabile, la frequenza di risonanza del circuito.
Sensori e trasduttori
Misurazioni di grandezze meccaniche, termiche, ottiche e chimiche sono effettuate con componenti detti sensori e trasduttori. Il sensore risponde alle variazioni della grandezza da misurare; il trasduttore converte questa reazione in un segnale elettrico, che può essere inviato a strumenti per la lettura, la registrazione, o il controllo della grandezza rilevata. Esistono dispositivi che svolgono entrambe le funzioni.
Elementi attivi
Si definiscono elementi attivi quei componenti che forniscono al circuito in cui sono inseriti l’energia richiesta per il suo funzionamento (generatori) o le cui proprietà elettriche sono identiche a quelle di una rete contenente generatori (ad esempio, tubi a vuoto e transistor).
Tubi a vuoto
Un tubo a vuoto consiste in un involucro di vetro, in cui è stato ottenuto il vuoto d'aria, contenente diversi elettrodi metallici. Il diodo è il più semplice tubo e consta di due elettrodi: il catodo, un piccolo tubo metallico riscaldato da un filamento e l'anodo (chiamato anche placca), un cilindro metallico che circonda il catodo, collegato al terminale positivo di un alimentatore. Se si applica all'anodo una tensione alternata, gli elettroni emessi dal catodo migrano verso l'anodo durante il semiperiodo positivo della tensione, mentre sono respinti dall'anodo durante il semiciclo negativo: il flusso di corrente nel tubo avviene perciò solo durante metà del ciclo della tensione applicata. Un diodo connesso nella maniera sopra descritta permette di realizzare un circuito chiamato "raddrizzatore", che lascia passare solo i semicicli positivi della corrente alternata (AC), ed effettua perciò la conversione della corrente in corrente continua (DC).
È possibile controllare il flusso di elettroni in un tubo a vuoto interponendo fra tra catodo e anodo una griglia, ovvero una spirale di filo metallico, mantenuta a un potenziale negativo. La griglia respinge gli elettroni, e solo una parte di quelli emessi dal catodo riesce a raggiungere l'anodo. Un simile tubo, detto triodo, può essere impiegato come amplificatore: infatti, piccole variazioni della tensione di griglia, come possono essere prodotte da un segnale radio o audio, riescono a indurre ampie variazioni del flusso di elettroni tra catodo e anodo e di conseguenza della corrente nel circuito in cui il tubo è inserito.

Transistor

I transistor sono realizzati con semiconduttori. Questi materiali, ad esempio il germanio o il silicio, vengono "drogati", ovvero addizionati di quantità infinitesime di altri elementi, in modo da creare un eccesso o una carenza di elettroni liberi. Nel primo caso il semiconduttore drogato è detto di tipo n, nel secondo di tipo p. Connettendo un semiconduttore di tipo p a uno di tipo n, si ottiene una "giunzione p-n", e si realizza il diodo a semiconduttore. Se il lato p della giunzione è collegato al polo positivo di una batteria, e il suo lato n a quello negativo, gli elettroni, respinti dalla polarità negativa, possono migrare senza incontrare ostacoli verso la zona p, povera di elettroni liberi: si ottiene dunque conduzione di corrente. Invertendo la polarità, solo i pochissimi elettroni liberi presenti nella zona p possono mettersi in movimento, e la corrente che attraversa la giunzione è praticamente nulla.
Il transistor bipolare utilizza il medesimo principio di funzionamento di un diodo a semiconduttore: consiste di tre zone di materiale drogato intimamente connesse, con sequenza p-n-p oppure n-p-n, per formare due giunzioni (zone di transizione), una di tipo p-n e una di tipo n-p. Una giunzione è collegata a una batteria in maniera da consentire il passaggio di corrente (polarizzazione diretta), mentre l'altra è connessa a una seconda batteria con polarità tale da impedire il passaggio di corrente (polarizzazione inversa). Quando la corrente nella giunzione polarizzata direttamente è modificata per l'aggiunta di un segnale, la corrente nell'altra giunzione varia in proporzione. Questo principio può essere applicato per realizzare amplificatori, nei quali un piccolo segnale applicato alla giunzione in polarizzazione diretta produce grandi variazioni nella corrente della giunzione in polarizzazione inversa.
Un altro tipo di transistor, detto "a effetto di campo" (FET, Field-Effect Transistor), funziona in base alle forze attrattive o repulsive tra le cariche, che si esercitano quando alla polarizzazione è aggiunto un campo elettrico.
Circuiti integrati
I circuiti integrati sono piccole lastre di silicio o di arseniuro di gallio, dette anche "chip", di dimensione da 2 a 4 mm2, sui quali sono disposti transistor e altri componenti elettrici, utilizzando la tecnica della fotolitografia. Questo procedimento permette ai progettisti di creare decine di migliaia di transistor su un singolo chip distribuendo in modo appropriato zone p e zone n, collegandole attraverso microfilm di materiale conduttore. Si ottengono così complessi circuiti con funzioni specifiche, detti monolitici perché sono realizzati su un unico cristallo di silicio. Confrontato a un circuito equivalente realizzato con transistor separati, un circuito integrato richiede molto meno spazio e potenza, e può essere prodotto ad un costo molto minore.

ALIMENTATORI

 La maggior parte dei circuiti elettronici necessita di essere alimentata da tensione continua. Questa è ottenibile da batterie o da alimentatori interni, che convertono la tensione alternata degli impianti di distribuzione domestici in tensioni continue stabilizzate. Il primo elemento di un alimentatore è il trasformatore, che riduce o aumenta il valore della tensione di rete al livello richiesto per il funzionamento dell'apparecchiatura, e garantisce l'isolamento elettrico del dispositivo dalle linee della rete, in modo da ridurre i rischi di fulminazione. Il trasformatore è seguito da un raddrizzatore, normalmente a diodi. In passato, per i raddrizzatori di piccola potenza usati negli apparecchi elettronici erano impiegati diodi a vuoto e una gran varietà di materiali, quali cristalli di germanio o solfuro di cadmio. Oggi si usano quasi esclusivamente diodi al silicio, che offrono grande affidabilità a basso costo.
Fluttuazioni e ondulazioni sovrapposte alla tensione DC raddrizzata (rilevabili come un rumore di fondo negli impianti audio) possono essere filtrate, ovvero eliminate da un condensatore; maggiore è la capacità del condensatore, minore è l'ondulazione residua della tensione. Un controllo più preciso del livello di tensione e un ulteriore abbattimento dell'ondulazione possono essere ottenuti con un regolatore di tensione, che disaccoppia l'alimentatore dal circuito esterno, rendendo la tensione indipendente da eventuali fluttuazioni a livello della rete. Il più semplice regolatore impiega un diodo Zener, una giunzione p-n appositamente realizzata utilizzata in polarizzata inversa: quando la tensione ai suoi capi supera un valore stabilito, il diodo diventa fortemente conduttore, impedendo alla tensione di aumentare ulteriormente. Regolatori di tensione più sofisticati sono costruiti mediante i circuiti integrati.

CIRCUITI AMPLIFICATORI

Gli amplificatori elettronici sono usati per aumentare la tensione, la corrente o la potenza di un segnale elettrico. Un amplificatore lineare amplifica il segnale provocando distorsioni nulle o molto piccole, e dunque il segnale in uscita è proporzionale a quello in ingresso. Un amplificatore non lineare, invece, può produrre cambiamenti considerevoli nella forma d'onda del segnale. Gli amplificatori lineari sono usati per segnali audio e video, mentre quelli non lineari trovano impiego negli oscillatori, nell'elettronica di potenza, nei modulatori, nei mixer, nei circuiti logici e in altre applicazioni in cui è richiesto di “tagliare” l’ampiezza del segnale in ingresso. Malgrado il ruolo fondamentale giocato in passato dai tubi a vuoto, oggi è predominante l'impiego dei circuiti a transistor, a componenti discreti o integrati.
Amplificatori audio
 Gli amplificatori audio, che si trovano ad esempio in apparecchi radio e televisori, nei ricetrasmettitori CB e nei registratori a cassette, lavorano di solito a frequenze inferiori ai 20 kHz. Essi amplificano il segnale elettrico che è poi convertito in suoni da un altoparlante. Molto utilizzati per gli amplificatori radio sono gli amplificatori operazionali, che consistono in amplificatori lineari, realizzati con circuiti integrati, composti da più stadi (multistadio) e accoppiati in continua.
Amplificatori video
Gli amplificatori video operano principalmente con segnali nello spettro di frequenze fino a 6 MHz. Il segnale trattato dall'amplificatore si traduce nell'immagine presentata da uno schermo televisivo; l'ampiezza del segnale controlla la luminosità del punto sullo schermo. Per svolgere questa funzione, un amplificatore video deve operare su una larga banda, amplificando uniformemente, con basse distorsioni, tutte le frequenze.
Amplificatori a radiofrequenza  Questi amplificatori permettono di aumentare l'ampiezza delle onde radio utilizzate dai sistemi di comunicazione radiotelevisivi. Le frequenze di lavoro variano in genere tra 100 kHz e 1 GHz e possono estendersi fino alle frequenze caratteristiche delle microonde.

OSCILLATORI

Gli oscillatori sono impiegati per produrre segnali a frequenze audio o radio, per una grande varietà di applicazioni. Ad esempio, semplici oscillatori a frequenze audio sono usati nei moderni telefoni a tastiera per inviare alla centrale i segnali di selezione. Toni audio generati con oscillatori si trovano anche in sveglie, radio, strumenti elettronici, computer e sistemi di allarme. Oscillatori ad alta frequenza sono usati negli apparati per telecomunicazioni, per le funzioni di sintonizzazione e ricerca di segnali. Le stazioni di radio e televisione usano precisi oscillatori ad alta frequenza per generare le frequenze di trasmissione.
CIRCUITI LOGICI
I circuiti di commutazione e temporizzazione, o circuiti logici, sono l'elemento essenziale di ogni sistema in cui i segnali devono essere selezionati e combinati in modo controllato. Tra le applicazioni di questi circuiti si ricordano la commutazione telefonica, le trasmissioni via satellite e i computer.

SVILUPPI RECENTI

Lo sviluppo dei circuiti integrati ha rivoluzionato i campi delle telecomunicazioni, della manipolazione di informazioni e del calcolo automatico. Gli integrati permettono di ridurre sia le dimensioni dei dispositivi sia i costi di lavorazione dei componenti, garantendo allo stesso tempo migliori velocità operative e affidabilità. Orologi digitali, computer tascabili e giochi elettronici sono basati sui microprocessori. Altri recenti sviluppi riguardano la digitalizzazione dei segnali audio, che consiste nella codifica digitale di un segnale mediante un appropriato campionamento della sua ampiezza, eseguito a intervalli di tempo molto ravvicinati. La musica registrata in forma digitale, come nei compact disc, presenta una fedeltà non raggiungibile con i metodi di registrazione diretta.
L'elettronica medica ha compiuto notevoli progressi, che hanno portato allo sviluppo di tecniche diagnostiche sofisticate, che possono distinguere con grande precisione i diversi organi e tessuti del corpo umano.  Sono stati anche messi a punto dispositivi per il controllo dei vasi sanguigni o del sistema respiratorio. La televisione ad altissima definizione potrebbe presto sostituire molti processi fotografici, eliminando la necessità dell'argento fotosensibile.
Oggi, la ricerca in elettronica si concentra soprattutto sul settore dei circuiti integrati e dei componenti di commutazione, mirando a realizzare dispositivi capaci di accrescere la velocità e la capacità dei computer. Sono stati costruiti circuiti integrati a grandissima scala (VLSI), che contengono alcune centinaia di migliaia di componenti in un solo chip, mentre si stanno perfezionando computer ad altissima velocità, che, al posto dei tradizionali semiconduttori, utilizzano circuiti superconduttori basati sulle giunzioni Josephson, e che operano a temperature prossime allo zero assoluto.

 

Fonte: http://vgg.labcad.di.unimi.it/cbus/webscu/2005/Istituto_Salesiani_Don_Bosco/DOWNLOAD/tele/l%27%20elettronica.doc

Sito web da visitare: http://vgg.labcad.di.unimi.it

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