Dentro l'elettronica

1.1 Benvenuti

Le presenti sono alcune pagine di un appassionato di elettronica. Sono indirizzate sopprattutto ad egli stesso affinchè possa rinfrescare delle nozioni che tanto gli stanno a cuore. Egli è ben felice che possano servire ad altri, siano essi dei dilettanti oppure degli aspiranti tecnici.

Per chi non ha assolutamente le basi di elettronica, ma si sente attratto da questa disciplina, è anche consigliabile l'approccio attraverso testi qualificati e magari esperimenti semplicissimi che possono portare però a dei risultati gratificanti. Non c'è niente da temere, l'elettronica, almeno a questo livello, non è costosa, non richiede doti di precisione particolari, non è pericolosa e soprattutto è divertente. L'interesse verso questa materia potrebbe scaturire, semplicemente, aprendo un lettore DVD guasto (staccare la spina, prima), senza nessuna intenzione di ripararlo però. Cosa si presenterebbe ai nostri occhi?
Una piastra cosparsa da un'infinità di piccoli oggetti neri o lievemente colorati; niente di cui spaventarsi si chiamano componenti. Non sono fatti a mano da zelanti tecnici qualificati ma prodotti e montati in milioni di esemplari, per ogni tipo, da freddi robots, seguendo le procedure più avanzate che si conoscano attualmente. L'attività manuale per la realizzazione di un'apparecchiatura è ridotta a poca cosa, è l'automazione che costruisce sè stessa. Al di fuori dei componenti super miniaturizzati (SMD) e maneggiabili solo dai robots, esistono i componenti tradizionali (discreti) di costo irrisorio e in ogni caso recuperabili da vecchie apparecchiature, che sono molto utili per gli esperimenti.

Ritorniamo alla pura teoria: cos'è l'elettronica?
E' una scienza che studia i fenomeni di conduzione all'interno della materia (o nel vuoto in passato), in particolare nei semiconduttori; correlata ad essa vi è l'omonima tecnica che si occupa dello sbocco pratico delle teorie.
Le suddette discipline hanno permesso, nel corso dei decenni, lo sviluppo di apparecchiature sempre più sofisticate e destinate a cambiare la nostra vita. I dispositivi elettronici sono dovunque, anche dove non si nota la loro presenza. I microcircuiti ormai accendono, muovono, ricevono, trasmettono, calcolano, regolano, visualizzano, registrano; occupano in pratica tutta la nostra vita.
Non bisogna vedere, in ogni caso, lo studio dell'elettronica come qualcosa di inaccessibile e di lontano da noi: con un piccolo sforzo chiunque può fare dei semplici esperimenti che possono fargli capire cosa sia questa affascinante materia.
Pur essendo nel 2012, si respira ancora un notevole scetticismo in materia (sembra incredibile)! a ben 63 anni dall'invenzione del transistor e più di un secolo da quella delle valvole termoioniche questa scienza/tecnica non è stata ancora del tutto metabolizzata. Sembra quasi che l'elettronica sia l'anello debole di una lunga catena.
In rapporto alle prestazioni i dispositivi elettronici, se realizzati a regola d'arte, sono abbastanza economici e sicuri e sarebbe impensabile la loro assenza soprattutto a livello della qualità della produzione, nel senso più lato del termine. Se vogliamo, invece, prendere come riferimento delle apparecchiature progettate male e costruite peggio, le conclusioni non lasciano adito a dubbi.

1.2 La scienza

L'atomo, quale unità minima di materia, rappresenta il luogo dove agiscono tutte le forze responsabili della produzione di correnti. Queste forze sono generalmente prodotte da un campo elettrico o magnetico ed agiscono tanto intensamente sul materiale conduttore o semiconduttore al punto da riuscire a trascinare gli elettroni liberi interni alla materia (resi liberi da forze termiche). Un elettrone "catturato" da un campo applicato rappresenta l'elemento base di un flusso più ampio chiamato corrente elettrica. La corrente opportunamente "incanalata" ed obbligata a seguire dei percorsi prestabiliti attraverso a dei componenti elettrici ed elettronici genera altri fenomeni come luce, suono e calore, che vengono percepite dall'essere umano, oppure elettromagnetismo per l'azionamento di valvole e motori.
In ogni caso sono le leggi della fisica e dell'elettrotecnica a governare nei circuiti elettronici, denominati così forse anche per l'esigua intensità di corrente circolante in essi.
Tensione, corrente, potenza, flusso magnetico, resistenza, capacità ed induttanza sono le principali grandezze che praticamente caratterizzano tutto l'universo dell'elettrotecnica e dell'elettronica.
Il silicio, minerale base per la realizzazione di componenti, rimane per ora il materiale sul quale l'elettronica moderna è fondata; all'orizzonte si delineano già, comunque, nuove sostanze, siano esse di origine chimica oppure biologica, che probabilmente rappresenteranno la base per l'altissima velocità informatica di questo secolo. Si parla di grafene, un derivato del carbonio trattato chimicamente che sembra avere caratteristiche superlative per la produzione di transistors dall'altissima velocità. Naturalmente i transistors con un'alta velocità rendono più rapida l'esecuzione delle funzioni degli elaboratori che sono ancora relativamente lenti.
(nella foto: piastra base con collegamenti e saldature).

1.3 I semiconduttori

I semiconduttori sono dei materiali di origine minerale opportunamente preparati chimicamente.
Il silicio è il minerale che meglio si presta al trattamento chimico che conferisce ad esso le proprietà tipiche del semiconduttore.
La possibilità di controllare elettricamente (sembra una contraddizione!) lo stato di conduttore o di isolante, rende questi materiali in grado di aprire, chiudere o modulare su comando il transito della corrente.
L'applicazione più immediata è il transistor (transfer-resistor, nato nel 1947) costituito schematicamente da tre barrette di semiconduttore, accostate e trattate chimicamente in modo alternato, PNP o NPN. Il transistor può essere usato come interruttore oppure come "regolatore" della corrente che fluisce dentro di esso. L'amplificazione di un segnale audio, ad esempio, viene ottenuta da una piccola intensità di corrente, iniettata nel transistor attraverso la base, che pilota linearmente una corrente più forte circolante su collettore ed emettitore. Si può facilmente comprendere quale sia la gamma di applicazioni di questi componenti che, non a caso, sono gli elementi base di tutta l'elettronica moderna.
Un chip è formato da una grande quantità di componenti, generalmente transistors, collegati fra di loro per formare un circuito molto complesso. Milioni di transistors possono essere "stampati" su di un'unica piastrina di semiconduttore di pochi millimetri quadri e racchiusi nel tipico involucro nero (ad esempio la CPU). La costruzione di chips richiede tecniche particolarmente avanzate, quasi fantascientifiche, e negli ambienti di produzione è necessaria l'assenza di impurità che potrebbero danneggiare intere partite.
Si parte da una lastra di silicio che deve essere innanzi tutto trattata chimicamente con delle impurità di sostanze chimiche particolari e seguendo un disegno prestabilito. Ripetuta molte volte e con sostanze diverse questa operazione si ritagliano i singoli chips pronti per essere rifiniti. Il posizionamento all'interno del contenitore plastico e la microsaldatura sono le lavorazioni che consentono al chip di essere inserito nelle piastre delle apparecchiature elettroniche.
Naturalmente tutte le fasi di produzione e di montaggio vengono eseguite in modo automatizzato.
(nella foto: circuito integrato in tecnologia SMD saldato sulla piastra base)

1.4 I componenti

Non tutti i componenti si fondano sulla scienza dei semiconduttori, ne esistono di altri tipi che sfruttano i fenomeni fisici tradizionali come resistenza, capacità ed induttanza.
Di resistenza si parla generalmente quando la grandezza in questione è di ostacolo al passaggio della corrente e per questo dissipa energia sotto forma di calore. I resistori ai quali è richiesto di dissipare più energia, sono anche i più grossi per motivi di dispersione termica.
Per capacità viene intesa la propensione ad immagazzinare cariche elettriche sotto forma apparente di tensione. Il condensatore, infatti, si carica in corrente (I*t), ma non di corrente, diversamente dall'induttanza che si carica in tensione ma non di tensione.
Sembrano giochi di parole ma non preoccupiamoci, in ogni caso il fatto che si carichi di una grandezza fisica significa che il componente è in grado di mantenerla in uscita per un tempo prolungato stabilito dalle leggi dell'elettrotecnica. Cessata l'alimentazione il condensatore manterrà ai suoi capi una tensione che, in assenza di carico, può durare anche ore. L'induttore che si carica elettromagneticamente può manenersi carico di corrente in rapporto alla resistenza sulla sua uscita. Le dimensioni del condensatore sono strettamente correlate alla sua capacità di accumulare cariche. Anche la tensione di lavoro influisce notevolmente sulle dimensioni a parità di capacità; per l'induttore la questione è più complessa. Entrano in gioco le sezioni dei conduttori, il diametro e la lunghezza dell'avvolgimento, le caratteristiche di dielettrico e nucleo. Esistono molti testi tecnici che spiegano come progettare e realizzare gli induttori, quando ve ne sia la necessità; in caso contrario vengono usati i modelli commerciali già pronti.

I componenti, in definitiva, si dividono tra attivi e passivi. Attivi sono generalmente i componenti basati su semiconduttore che regolano su comando elettrico le grandezze come tensione e corrente. Passivi sono i restanti tipi di componenti che non hanno la suddetta capacità, ma impongono semplicemente le loro caratteristiche fisiche al fine di accumulare oppure dissipare energia.
(nella foto: piastra base con componenti in SMD e condensatori elettrolitici)

1.5 Le grandezze

Tensione e corrente sono le due grandezze fisiche primarie indispensabili per lo studio di dispositivi e circuiti elettronici. La prima quantifica la differenza di potenziale, cioè la differenza di livello di carica elettrica che, a seguito della chiusura di un circuito, genera una corrente di elettroni . La tensione viene espressa in Volt, la corrente in Ampere; sono unità di misura abbastanza grandi e quindi generalmente vengono usati i milliVolt (mV) o i microVolt (uV) ed i milliAmpere (mA) o i microAmpere (uA).
La Legge di Ohm rapprenta la base matematica di associazione della corrente alla tensione: I=V/R.
La corrente circolante (espressa in Ampere) è uguale al valore della tensione (espresso in Volt) diviso il valore della resistenza del circuito (espressa in Ohm). E' quindi entrata in scena una nuova grandezza, la resistenza, che vuole quantificare l'ostacolo posto alla circolazione della corrente. Sarebbe una legge che tutti dovrebbero conoscere, anche i non addetti ai lavori. Purtroppo, a volte, sembra che sfugga.
Un'altra grandezza indispensabile è la potenza (espressa in Watt). L'espressione che la caratterizza è:
P= V*I.
Essendo anche il Watt eccessivo per le applicazioni elettroniche, viene di norma usato il milliWatt (mW). Tutti i componenti elettronici, tranne i condensatori, sono caratterizzati dalla loro potenza massima dissipabile in condizioni normali di funzionamento. Dobbiamo tenere ben presente che buona parte dell'energia fornita ai circuiti viene dispersa sotto forma di calore durante il loro funzionamento. Un buon progetto consiste anche nel ridurre al minimo le perdite dei componenti al fine di ottimizzare il bilancio energetico complessivo.
Le altre grandezze in gioco sono, soprattutto, quelle che caratterizzano i componenti e necessitano di uno studio di quest'ultimi. Resistenza,induttanza e capacità sono le principali, e senza di esse si rende impossibile la progettazione, anche dei circuiti più elementari.