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Componenti elettronici - Fondamenti di elettronica

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4.3. Componenti elettronici

La storia dell'elettronica è stata segnata dall'introduzione di componenti che hanno aperto a nuove soluzioni e tecnologie. La vera rivoluzione si è avuta con l'introduzione del transistor, preceduta da quella del diodo, che ha segnato la nascita definitiva dell'elettronica digitale portando all'introduzione dei microprocessori. Nel seguito vengono illustrati i principali componenti e le loro caratteristiche.

4.3.1. Resistenza

La resistenza è un componente che si oppone al passaggio di corrente elettrica dissipando energia sotto forma di calore. Viene indicata con la lettera R e viene misurata in Ohm. Come vedremo meglio più avanti descrivendo la legge di Ohm, la resistenza lega in un'unica formula la tensione V e la corrente I. In particolare, applicando una tensione V ad una resistenza R si genera il passaggio di una corrente I e le tre grandezze in gioco sono legate da una relazione che prende il nome di legge di Ohm :

Equazione 4.1. Legge di Ohm


La resistenza elettrica di un conduttore dipende dalla geometria e dal materiale, oltre che dalla condizioni fisiche (in particolare dalla temperatura). Per conduttori a sezione costante (sbarre, cilindri, fili ecc) la resistenza può essere espressa nella forma:

Equazione 4.2. Formula della resistività


in cui l è la lunghezza, S la sezione. ρ (lettera greca Rho) è detta resistività elettrica ed è una caratteristica propria del conduttore. Dalla formula si vede che le dimensioni della resistività sono: [Ohm/metro]. Di seguito vengono presentati alcuni valori di resistività propri di alcuni materiali misurati a temperatura ambiente costante:

Tabella 4.1. Valori tipici della resistività

MaterialeResistività
Alluminio2.5*10-8
Argento1.5*10-8
Ferro10*10-8
Zinco5.8*10-8
Rame1.7*10-8
Legno108
Vetro1010
Plastiche1013 - 1016
Ceramica1016

La resistività di un materiale dipende fortemente dalla sua temperatura. La relazione tra resistività e temperatura è del tipo seguente:

Equazione 4.3. Relazione tra resistività e temperatura


dove ρ0 rappresenta la resistività a 0°C e α è il coefficiente di temperatura ed anch'esso è caratteristico del materiale in esame.

4.3.2. Condensatore

Questo componente è costituito da due placche parallele di metallo poste ad una distanza molto piccola. Se alle due placche viene applicata una tensione, queste sono in grado di mantenere la carica accumulata generando così un campo elettrico all'interno della fessura, che è assimilabile al passaggio di una corrente, come viene mostrato in figura:

Carica di un condensatore
Carica di un condensatore

La quantità di carica che un condensatore è in grado di immagazzinare viene chiamata capacità elettrica (C) e viene misurata in Farad. La figura mostra un condensatore di capacità C a cui viene applicata una tensione V. La formula che lega capacità, tensione e carica (Q) accumulata è la seguente:

Equazione 4.4. Carica di un condensatore


Quando ad un condensatore inizialmente scarico viene applicata una tensione, questo si comincia a caricare finché non raggiunge il massimo della carica che può accumulare. Oltre questo punto il condensatore non è ulteriormente in grado di immagazzinare carica e, se la tensione viene rimossa, il condensatore rimane carico. Un condensatore carico presenta una tensione costante ai suoi capi e se viene connesso ad una resistenza si scarica su questa generando una corrente. I due processi di carica e scarica di un condensatore non sono istantanei ma avvengono in un certo tempo che dipende dalle caratteristiche del condensatore e del circuito in cui è inserito. Durante la carica del condensatore, si ha un movimento di cariche di segno opposto che si accumulano sulle due placche e questo movimento di cariche genera una corrente. Quando il condensatore è completamente carico, non permette l'accumulo di ulteriori cariche e dunque si comporta come un circuito aperto che impedisce il passaggio di corrente. Questo comportamento è alla base del funzionamento dei filtri passa alto [Vedi: Filtri]. Pensiamo di applicare al condensatore una tensione con un andamento sinusoidale. Se la frequenza della sinusoide è tale che la semionda positiva è più rapida del tempo di carica del condensatore, questo non farà in tempo a raggiungere la sua massima carica e sopraggiungerà la semionda negativa a scaricarlo. In questo modo il passaggio di corrente all'interno del condensatore non si interrompe mai. Viceversa nel caso di una frequenza bassa, il condensatore raggiunge la sua carica massima prima che la semionda positiva si esaurisca e in quel momento blocca il passaggio di corrente. Dunque un condensatore blocca il passaggio delle basse frequenze (che ne provocano la carica completa che interrompe il passaggio di corrente) e può essere impiegato come filtro passa alto:

Semplice filtro passa alto
Semplice filtro passa alto

4.3.3. Induttore

Quando un conduttore viene immerso in un campo magnetico, quest'ultimo attira gli elettroni all'interno del conduttore mettendoli in movimento e questo genera una corrente. Viceversa, in prossimità di un conduttore attraversato da una corrente si genera un campo magnetico le cui linee di forza si distribuiscono come in figura:

Campo magnetico indotto da una corrente in un conduttore
Campo magnetico indotto da una corrente in un conduttore

Nei circuiti l'induttore viene identificato con la lettera L e il suo valore di induttanza viene misurato in Henry. Un induttore è in sostanza un conduttore avvolto in forma di spirale. Quando viene percorso da una corrente, si genera un campo magnetico le cui linee di forza si distribuiscono come in figura:

Campo magnetico indotto da una corrente in un induttore
Campo magnetico indotto da una corrente in un induttore

Un induttore può essere efficacemente impiegato come filtro passa basso sfruttando una proprietà di inerzia del campo magnetico. Applicando una corrente con un andamento sinusoidale viene generato un campo magnetico anch'esso sinusoidale. Tuttavia se la frequenza è troppo elevata, la semionda negativa genera un campo magnetico con linee di forza opposte a quelle generate dalla semionda positiva che non hanno ancora fatto in tempo a estinguersi; in questo modo viene impedito il passaggio di corrente. La figura seguente mostra un esempio di circuito con funzionalità di filtro passabasso:

Semplice filtro passabasso
Semplice filtro passabasso

Combinando le azioni di condensatori e induttori si possono realizzare circuiti con funzionalità di filtro passa banda:

Semplice filtro passabanda
Semplice filtro passabanda

4.3.4. Impedenza

Quando ad un condensatore viene applicato un segnale contenente un insieme composito di frequenze, come un segnale audio, reagisce in modo diverso per ogni frequenza. Inoltre, essendo ogni componente costruito con materiali che hanno una determinata resistenza, per identificare il comportamento del componente si utilizza una grandezza che tiene conto di queste caratteristiche. La grandezza prende il nome di impedenza e viene indicata con la lettera Z. Per un condensatore assume il valore seguente:

Equazione 4.5. Impedenza del condensatore


La formula indica che l'impedenza di un condensatore dipende dalla frequenza. Inoltre ha due componenti: la prima prende il nome di resistenza e dà una misura dell'effettiva resistenza del componente, la seconda prende il nome di reattanza e introduce la dipendenza dalla frequenza. Infine il simbolo j indica che la reattanza è un numero immaginario [11].

Notare che per f=0 (è il caso della corrente continua), l'impedenza del condensatore diventa infinita simulando un circuito aperto mentre per f=infinito l'impedenza coincide con la resistenza. Analogamente, per l'induttore abbiamo un valore di impedenza pari a:

Equazione 4.6. Impedenza dell'induttore


Notare che per f=0 l'impedenza coincide con la resistenza mentre per f=infinito l'induttore si comporta come un circuito aperto. Da questo punto di vista, condensatore e induttore hanno comportamenti opposti.

4.3.5. Diodo

Questo componente permette il passaggio di corrente in un solo verso. Applicando una tensione con un certa polarità ai suoi capi si ha uno scorrimento di corrente. Applicando la polarità opposta non si ha passaggio di corrente. Il simbolo utilizzato nei circuiti per rappresentarlo è il seguente:

Diodo
Diodo

Un particolare tipo di diodo è il LED (Light Emitting Diode , diodo ad emissione luminosa). Questo componente ha la proprietà di liberare un fascio di fotoni (in soldoni: si illumina) quando viene percorso da una corrente.

4.3.6. Transistor

Un transistor è ottenuto configurando opportunamente due diodi. È dotato di tre connettori: base, collettore ed emettitore .

Il suo simbolo è il seguente:

Transistor
Transistor

Viene utilizzato in diverse modalità e configurazioni. Quella che interessa nella pratica audio è la sua funzione di amplificazione.

Un transistore è in grado di fornire un'amplificazione di potenza così come un'amplificazione di tensione o di corrente. Vediamo un esempio del suo funzionamento.

Applicando una piccola variazione di tensione tra emettitore e base si produce una escursione relativamente elevata della corrente sull'emettitore. Una frazione di questa variazione di corrente, viene raccolta dal collettore aumentando in questo modo la differenza di potenziale tra base e collettore. Quindi, una piccola variazione di potenziale applicata tra base ed emettitore produce una relativamente elevata variazione di tensione tra base e collettore realizzando dunque un'amplificazione di tensione.

4.3.7. Amplificatore operazionale

Questo tipo di amplificatore è in grado di amplificare una differenza di segnali. Il simbolo usato è il seguente:

Amplificatore operazionale
Amplificatore operazionale

Viene comunemente usato come stadio di ingresso per le connessioni bilanciate che sono descritte nel dettaglio nella sezione relativa alle connessioni [Vedi: Connessioni elettriche bilanciate] e nei fader di tipo VCA [Vedi: Controlli VCA].

4.3.8. Trasformatore

Questo componente sfrutta l'induzione elettromagnetica [12] dei conduttori disposti in forma di avvolgimento. Se nelle vicinanze di un avvolgimento percorso da una corrente variabile, poniamo un altro avvolgimento, il campo magnetico del primo investirà il secondo inducendo al suo interno una corrente. Il numero di spire di ogni avvolgimento determina la differenza tra le due correnti e di conseguenza determina il rapporto tra le tensioni ai capi dei due avvolgimenti. Dunque un trasformatore, come dice il nome, trasforma una tensione in un'altra. La figura seguente mostra un trasformatore in sui l'avvolgimento primario ha 20 spire e il secondario 10. Applicando una tensione di 10 V al primario si ottiene una tensione di 5 V sul secondario:

Trasformatore
Trasformatore

Un'altra importante proprietà del trasformatore consiste nel fatto che può fungere da adattatore di impedenza. Come vedremo parlando della catena di amplificazione nella relativa sezione, è necessario che quando si connettono due componenti, l'impedenza di uscita del primo e quella di ingresso del secondo abbiano valori che rispettano un ben preciso rapporto. Quando si rende necessario cambiare il valore dell'impedenza (ossia realizzare un adattamento di impedenza), lasciando invariate le altre grandezze elettriche, si può ricorrere ad un trasformatore in cui si agisce sul rapporto tra il numero di spire del primario e del secondario.



[11] La trattazione dei numeri immaginari e il conseguente calcolo dell'impedenza esulano dalle finalità di questo testo. Per approfondimenti si rimanda a testi specifici sull'argomento.

[12] Con il termine induzione si indica l'azione elettromagnetica di un componente elettrico su un altro che si trova nel raggio d'azione del suo campo magnetico.

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