Elettronica
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. 444b17e 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.
