Principi di elettronica generale - riccardo...
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Principi di elettronica generale
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Differenza di potenziale o tensione
• La differenza di potenziale o tensione si misura Volt [V] e indica la differenza di potenziale elettrico. Una carica elettrica si muove tra un punto a potenziale più alto al punto a potenziale più basso.
per convenzione a muoversi sono le cariche positive anche se in realtà si muovono quelle negative (elettroni)
Corrente elettrica
• È costituita da un flusso di cariche elettriche che si spostano dal punto a potenziale più alto al punto a potenziale più basso. Si misura in Ampere [A].
La resistenza
• Si oppone al passaggio di corrente. Rappresenta il carico elettrico che colleghiamo alla batteria. La resitenzadissipa energia sotto forma di calore.
Si misura in ohm [Ω]
R
simbolo
Resistenzaelettronica(0,25Watt)
ResistenzaElettrica lavatrice(1950 Watt)
La legge di Ohm
• Se ad una resistenza applichiamo una tensione su di essa passerà una corrente che può essere calcolata con la seguente formula
R
VI =Corrente [A]
Tensione [V]
Resistenza [Ω]
Esempio: calcolo corrente
][2,110
12A
R
VI ===
V=12 VR=10 ohmTrovo corrente I
Calcolo tensione
I=2 AR=10 ohmTrovo tensione V
][20210 V
IRV
=⋅=
⋅=
I=2 A
10 Ω
Calcolo resistenza
V=12VI=2 A
Trovo resistenza R
][62
12Ω===
I
VR
V=12V
I=2 A
Resistenze in serie
• Date 2 o più resistenze in serie, la resistenza totale è la somma delle resistenze.
21 RRRs +=
Resistenze in parallelo
• Date 2 o più resistenze in parallelo, la resistenza totale si calcola con la seguente formula.
21
21
2
1
1
1
1
RR
RRRp
RR
Rp
+
⋅=
+
= Formula generale, valida per qualsiasi numero di resistenze
Formula semplificata, valida per 2 resistenze
esercizio
• Date tre resistenze in serieR1=30Ω, R2=20Ω, R3=40ΩTrovo la resistenza totale Rs
Rs=R1+R2+R3=30+20+40=90Ω
Esercizio usando formula generale
• Date tre resistenze in paralleo
R1=30Ω, R2=20Ω, R3=12ΩTrovo la resistenza totale Rp
Ω===++
=
++
=
++
=
610
60
60
10
1
60
532
1
12
1
20
1
30
1
1
3
1
2
1
1
1
1
RRR
Rp
Stesso esercizio usando formula semplificata
Ω==+
⋅=
+
⋅=
Ω==+
⋅=
+
⋅=
624
144
1212
1212
312
312
1250
600
2030
2030
21
2112
RR
RRRp
RR
RRR
Generatori (batterie) in serie
• Dati 2 generatori in serie, la tensione totale è data dalla somma delle singole tensioni
1
2
Vs=V1+V2-
-
Generatori (batterie) in parallelo
• Mettere in parallelo più batterie serve ad avere a disposizione più corrente per piùtempo. Le batterie devono avere la stessa tensione.
I1
Ip=I1+I2
--
I2
Generatore reale di tensione
• Viene rappresentato come un generatore di tensione Eg con in serie una resistenza Rg
Eg
Rg
Generatore reale di corrente
• Viene rappresentato da un generatore di corrente Ig con in parallelo una resistenza Rg
Ig Rg
NB: utilizzando il teorema di Thevenin/Norton posso trasformare un generatore di tensione in un generatore di corrente
Ig=Eg/RgEg=Rg·Ig
Esercizio
AR
VI
VV
AR
VI
VVV
VIRV
AItotI
VIRV
AItotI
ARtot
EtotItot
RRRtot
RR
RRR
4,020
8
2
22
122
4,020
8
1
11
8121
48,05333
8,03
88,010121212
8,012
8,015
12
15510
312
1040
400
2020
2020
21
2112
===
=
===
==
=⋅=⋅=
==
=⋅=⋅=
==
===
Ω=+=
+=
Ω==+
⋅=
+
⋅=
Itot
Etot Itot
Itot
Il condensatore• È costituito da 2 lamine di metallo dette
armature separate da uno strato di materiale isolante (plastica, aria, ceramica) detto dielettrico.
Caratteristiche condensatore
• Il condensatore è in grado di accumulare carica elettrica. Questa sua caratteristica è chiamata capacità ed è data dal rapporto tra la carica del condensatore e la tensione ai suoi capi.
La capacità C si misura in Farad [F].La tensione V si misura in Volt [V].La carica elettrica Q si misura in Coulomb [C].
V
QC =
Caratteristiche del condensatore
• La capacità C del condensatore dipende dalla superficie S delle armature e dalla loro distanza. Dipende inoltre dal tipo di isolante tra le armature.
La capacità C si misura in farad [F]La superficie si misura in [m2 ]La distanza d si misura in [m]La costante ɛ dipende dal tipo di isolante tra le armature
d
SC ε=
Condensatori in parallelo
• La capacità di condensatori in parallelo èdata dalla somma delle singole capacità
Cp=C1+C2
Condensatori in serie
• Per i condensatori in serie si usa la seguente formula
• Se i condensatori sono 2 posso usare la seguente formula semplificata
2
1
1
1
1
CC
Cs
+
=
21
21
CC
CCCs
+
⋅=
Carica del condensatore
• Applicando una tensione ad un circuito costituito da una resistenza R e un condensatore C, il condensatore si carica con andamento esponenziale.
Vo
Scarica del condensatore
• Se ad un condensatore carico collego una resistenza, esso si scarica in maniera esponeziale
Tipi di condensatore
Il segnale
• È una grandezza elettrica (Tensione o Corrente) che può contenere un’informazione.
Vo
tempo
Segnali periodici
• Si ripete uguale a intervalli di tempo regolare detti periodi. Il periodo si indica con T e si misura in secondi [s]
Frequenza: è il numero di volte che il segnale si ripete in un secondo e si misura in Hertz [Hz]
][
1][
1][
sTHzf
fsT
=
=
Onda quadra
• È un segnale periodico utilizzato soprattutto in elettronica digitale e nel controllo di attuatori (valvole, motori, inverter)
100% ⋅=T
tondc
Duty Cicle
Es:trasmissione dato digitale
Onda triangolare
T
Onda sinusoidaleVp: tensione di picco
L’onda sinusoidale è molto importante perché, oltre a essere usata come alimentazione (es:220V ac), permette di rappresentare tutti gli altri tipi di segnali
Il teorema di Fourier
• Questo teorema dimostra che qualsiasi segnale elettrico può essere scomposto in sinusoidi
Spettro di un segnale
• È la rappresentazione delle sinusoidi che compongono un segnale nel dominio
della frequenza. Si utilizza lo spettro perché è più facile da disegnare.
Spettro di una sinusoide
Spettro di un segnale (costituito da infinite sinusoidi) della voce
Amplificatore di tensione (preamplificatore)
• Amplifica la tensione che riceve in ingresso
Av=2
Vi=1V Vo=2V
Guadagno Av=Vo/Vi=2V/1V=2
Guadagno AvdB=20log10(Av)=6dB
Alimentazione singola e duale
+1,5V
0V
SINGOLAIl circuito ha solo tensioni positive
0V
+1,5V
-1,5V
DUALEIl circuito ha tensioni positive e negative
Filtri
• Sono dispositivi che lasciano passare determinate frequenze e ne eliminano altre.
Tipi di filtro
• Filtro passa basso: lascia passare le frequenze inferiori ad un determinato valore detto frequenza di taglio fT
fT fT
Simbolo
Circuito semplice filtro passa basso
Capacitivo Induttivo
NB: questi circuiti sono 2 tra i più semplici; esistono circuiti più complessi che svolgono una funzione migliore di filtro. Questi 2 circuiti inoltre sono passivi, cioè non hanno bisogno di alimentazione
Tipi di filtro
• Filtro passa alto: lascia passare le frequenze superiori ad un determinato valore detto frequenza di taglio fT
fT fT
Simbolo
Circuito semplice filtro passa alto
Capacitivo Induttivo
Tipi di filtro
• Filtro passa banda: lascia passare le frequenze comprese tra un valore minimo e un valore massimo
Simbolo
fmin fmax fmin fmax
Tipi di filtro
• Filtro escludi banda: elimina le frequenze comprese tra un valore minimo e un valore massimo
Simbolo
fmin fmax fmin fmax
IL Silicio
• È un materiale molto diffuso in natura (lo si trova ad esempio nella sabbia). Il suo atomo è quadrivalente, cioè può avere 4 legami. Il silicio puro elettricamente è un materiale cristallino isolante.
SiSi
Si Si
Drogaggio del silicio• Aggiungendo al silicio una piccola quantità di Boro, si creano
delle cariche positive e il silicio diventa conduttore; si dice drogato di tipo P
• Aggiungendo al silicio una piccola quantità di arsenico, si creano delle cariche negative e il silicio diventa conduttore; si dice drogato di tipo N
BSi
Si Si
AsSi
Si Si
+
-
La giunzione PN• Unendo tra loro una parte di silicio di tipo P e
una di tipo N, nel punto di giunzione le cariche positive si ricombinano con quelle negative creando una bariera isolante detta ZONA DISVUOTAMENTO
+ + + + ++ + + + ++ + + + ++ + + + ++ + + + ++ + + + +
- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -
Aanodo
Kcatodo
Aggiungendo alla struttura due morsetti ottengo un componente chiamato DIODO
A K
simbolo
A KDiodo al silicio
Diodo polarizzato direttamente
• Polarizzando direttamente il diodo, la zona di svuotamento si restringe e lascia passare la corrente; idealmente il diodo si comporta come un interruttore chiuso, in realtà ai suoi capi ho una tensione che varia a seconda del tipo di diodo e tipicamente è di 0,6V
Corrente mAkohm
VI 2,1
10
12=≅
Diodo polarizzato inversamente
• Polarizzando inversamente il diodo, la zona di svuotamento si allarga e non lascia passare la corrente; idealmente il diodo si comporta come un interruttore aperto e ai suoi capi ho la tensione di alimentazione
Corrente mAI 0=
Raddrizzatore a una semionda
• Applicando in ingresso al circuito una sinusoide, in uscita ottengo solo le semionde positive. Invertendo il diodo, vengono fatte passare solo le semionde negative.
ViVo+ + + +
- -
Raddrizzatore a doppia semionda (ponde diodi o di gratz)
• Questo circuito fa passare le semionde positive e raddrizza quelle negative. In uscita ho tutte semionde positive. Le semionde positive passano dai diodi D1 e D3, le negative da D2 e D4.
Vi+ +
- -+ +-
+
+ -
-
Alimentatore non stabilizzato
+
-
Vo
Mettendo un condensatore in parallelo all’uscita, filtro le semionde e ottengo una tensione continua, il cui valore non è stabile e dipende dalla resistenza di carico RL.
Il ripple
• Il residuo di ondulazione che rimane in uscita viene chiamato Ripple ed è un disturbo. Viene espresso come percentuale.
Vo=5V Ripple=±0,2VRipple%=(Ripple/Vo)·100=±4%
Il trasformatore
• Questo dispositivo viene inserito prima dell’alimentatore per trasformare la tensione alternata di rete (220V) in una tensione più bassa e meno pericolosa (es 12V) più adatta a essere trasformata in tensione continua
220V~ 12V~
Regolatore di tensione
• È un dispositivo integrato in grado di trasformare una tensione continua non stabile in una tensione continua stabile di un valore desiderato.
LM78H05
Vo tensione di uscita
Corrente massima di uscita
Uscita positiva o negativa
Tipo di contenitore
Circuito• Applicando in ingresso una tensione non stabile compresa tra 8 e
30 V, col 7805 ottengo in uscita una tensione stabile di 5V. I condensatori nello schema sono opzionali e migliorano ulteriormente le caratteristiche della tensione di uscita.
Tipi di diodo
• Diodo al silicio per piccoli segnali(Vmax=50 V Imax=1 A)
• Diodi di potenza(Vmax=migliaia di V Imax=decine di A)
• Diodo ledQualche V, alcune decine di mA
A K
Diodo zener
• Polarizzato direttamente si comporta come un normale diodo (VAK=0,6V) e lascia passare la corrente.
• Se polarizzato inversamente comincia a condurre ad un certo valore di tensione che dipende dal modello di diodo.
(es: Vka=4V)
Diodo schottky
• Diodo “veloce” in commutazione ma delicato con correnti elevate.
Diodo tunnel
• Usato in telecomunicazioni
Ponte diodi
• Raddrizzatore a doppia semionda