Corso di TEPdSEE vol 1 - Una terra dove l`amore é positivo

Corso di TEPdSEE vol 1
F Metodi di progettazione delle apparecchiat. elettroniche
Fausto Maria Ferri, Hoepli 2015, ISBN 978-88-203-6665-0
A I materiali
Introduzione ai circuiti
6’
Corrente, tensione, resistenza 10’
1 Struttura dell’atomo
2 Conduttori, isolanti e m L’atomo
15 + 3’
Legami e molecole
3 Mater. semiconduttori
7 + 1’
B Disp elettron. passivi
Resistori
4 Resistori
11’
Condensatore e capacità
5 Condensatori
7’
Induttori e induttanza
6 Induttori
5’
Breadboard
6’
Teorema di Thevenin e Ruscita 4’
Partitore a vuoto
5’
Partitore con interruzione
5’
Amplificatore chitarra-sovrapp. 11’
AND a diodi
9’
LED protetto
7’
BJT con led come intro al BJT 8’
Amplificatore operazionale
8’
C Dispositivi elettromeccanici e meccanici
7
8
D Normativa tecnica e disegno elettronico
9
10
11
12
Enti di normazione
Disegno elettronico e e.
Sistemi CAD
OrCAD
E Elettronica digitale
13
14
15
16
Circuiti digitali
Famiglie logiche
Circuiti combinatori
Circuiti sequenziali
17
18
181
182
Teoria delle misure
Teoria delle misure
Cablati - su cir stampato
Strumenti: alimentatore
Multimetro
GDF
Oscilloscopio
Tester
10 uso DMM da banco e errori
9’
8’
Oscilloscopio analogico
Oscill. digitale Agilent 54622
Oscill. Digitale…
14’
14’
19 Analisi del progetto
G Interpr. Prog. attraverso l’analisi d. schema elettronico
20 Simboli logici nor CEI
H Sicurezza degli impianti elettrici civili
21 Sicurezza imp elettrici
22 Impianti elettrici civili
I Fondamenti di economia aziendale
ORG
L’azienda
23
24
25
26
27
28
Organizzazione aziend
Gestione processi azien
Project Management
Pian: Microsoft VISIO
Pian: Micr PROJECT
J La scheda Arduino
29 Ard.: caratt. Hd e Sw
Orcad
I tre tipi di circuiti digitali
4’
10’
30 Applicazioni
Arduino uno R3
Ingressi e uscite
Buzzer + fotoresistenza
Led RGB con cursore
Com. LCD 16 col x 2 righe
On-off con telecom. TV IR
Servom. che copia un potenz.
10’
8’
9’
9’
9’
4’
11’
K
K
K
VCC
Introduzione ai circuiti elettronici
Schema elettrico
(6’)
Vcc(t)
(Volt)
5V
Le grandezze elettriche fondamentali sono due:
5V
Rc
300Ω
- la tensione, che si indica con V e si misura in Volt (V)
t (sec)
- la corrente, che si indica con I (da Intensità di corrente) e si misura in Ampere (A)
In elettronica con circuito elettrico s’intende un quadripolo, un “qualcosa” (per ora
non meglio specificato che disegniamo come un rettangolo) con due fili d’ingresso e
due fili d’uscita
Tensione continua (batteria)
(alimentazione)
+
Vbb
+
+
5V
Tensione
Tensione
XSC1
di ingresso
di uscita
variabile (Vi)
variabile (Vu)
Circuito
Ext T rig
Segnale
Segnale
+
_
d’uscita
d’ingresso
B
A
VCC
+
_
+
LED1
Vu
C
Vi
Rb
B
BJT1
100kΩ
BC107BP
E
=> Transistor BJT con led
_
5V
+
ground
GND
=> Multimetro portatile
(tester)
Elenco componenti:
+
=> Alimentatore 1,2 – 25V 1A
R1
Vi
100MHz
5V
Resistor1_1.0kΩ
Capacitor2_10pF
C1
Vu
R1 = resistore 1 KΩ ¼ W
C1 = condensatore 10 pFarad
=> LED protetto
=> Oscilloscopio analogico
Tensione continua
XSC1
Domande e risposte su “Introduzione”
(2’)
Ext T rig
+
Come si indica una tensione, qual è la sua unità di misura e come si abbrevia?
Si indica con V grande se è una tensione fissa e con v piccolo se è una tensione variabile e si
misura in Volt abbreviato anche lui con una V, sempre grande, (omaggio ad Alessandro Volta)
Come si indica una corrente, qual è la sua unità di misura e come si abbrevia?
Si indica con I (che sta per Intensità di corrente) e si misura in Ampere abbreviato con A
Cosa è un circuito elettrico? È un quadripolo ovvero
qualcosa con due fili d’ingresso e due fili d’uscita
_
B
A
+
_
+
_
R1
ingresso
uscita
Cosa si mette di solito tra i due fili d’ingresso?
Una tensione variabile nel tempo: Vi(t)
Circuito
100MHz
5V
Cosa è di solito un segnale elettrico? Una tensione variabile nel tempo: V(t)
Sapendo che l’oscilloscopio
di Fig. 5 visualizza l’ingresso e l’uscita del circuito di
Fig. 4, cosa c’è sull’asse x e
cosa c’è sull’asse y?
Quale filo del circuito è chiamato “massa”?
Quello contrassegnato col simbolo di massa
Quello di Fig. 1 è un quadripolo?
Si, perché il secondo filo d’ingresso è il filo di massa e il
secondo filo di uscita è sempre il filo di massa
Vi
+
+
Resistor1_1.0kΩ
Capacitor2_10pF
Fig. 4
Sull’asse x c’è il tempo (5
nanosecondi a divisione) e
sull’asse y ci sono due tensioni
(2V a divisione):
- la tensione Vi(t) (in rosso)
Fig. 1
- e la tensione Vu(t) (in azzurro)
Quello di Fig. 2 è un quadripolo?
Si, perché i due fili in alto sono quelli dove si collega la batteria
e possiamo pensare che la batteria faccia parte del circuito visto
che serve a farlo funzionare
+
Fig. 2
VCC
Quanti ingressi ha il circuito di Fig. 3?
Due, l’ingresso tra A e massa e l’ingresso tra B e massa
A
5V
Y = AandB
B
Fig. 3
Fig. 5
C1
Vu
Corrente, tensione e resistenza
(10’)
Un resistore è un componente elettronico a due terminali (un bipolo)
+ VAB caratterizzato da un rapporto costante tra la tensione VAB ai suoi capi e la A
B
corrente IAB che vi scorre (ovvero caratterizzato dal fatto che IAB raddopIAB
pia se raddoppia VAB). Chiamando resistenza del resistore il rapporto coR
stante VAB / IAB , un resistore è caratterizzato dalla sua resistenza
(indicata con R e misurata in Ohm, abbreviato con Ω) (=> parametri dei
VAB
resistori e codici colori) . Una R dell’ordine degli Ω è una piccola R; una
= cos t = R
I AB
dell’ordine dei kΩ è media e una dell’ordine dei MΩ è una R grande.
La corrente I scorre (nel verso in cui si muoverebLa tensione non scorre ma si trasmette
Un conduttore è un materiale i cui elettroni di valenza (quelli dell’ultimo livello) sono liberi
di muoversi passando da un atomo all’altro.
++
-- - F
Se non c’è una forza che li attira o
-++
respinge, provocata da un eccesso di
Forza elettrica (tra cariche elettriche)
cariche + o -, vanno e vengono restando
mediamente fermi.
i + se fossero
Se invece c’è una forza che li spin+
+ bero
essi a muoversi)
ge a muoversi, si crea un moviA
B
+
+
Q
mento di cariche (di elettroni,
I=
+
+
nei solidi) e si dice che nasce
Vb
t
I = 9 mA
VAD=9V VBC=9V R2
R = 1 kΩ
9V
una corrente (di cariche)
+
+
2.0kΩ
[
]
Coul
La carica in transito (Q) non si mi[A] =
C
D
[sec]
sura in numero di elettroni/protoni
Filo di materiale conduttore
ma in Coulomb (Coul).
R1
Vibrazione attorno alla
B
L’intensità di corrente (I) in una sezione di un filo
A ++++
posizione di equilibrio
- - - A
B
si misura in Ampere (A) e rappresenta quante
1.0kΩ
(agitazione termica)
- - - - +++++
cariche (quanti Coulomb) passano ogni secondo.
0V
VAB=3V
- - - - +++++
Vb
Gli elettroni in moto tendono a passare tra le parti ferme degli atomi senza urtarle. Non ci rie9V R2
VAD=9V VBC=6V
- - - 9V
++++
2.0kΩ
scono, però, perché le parti ferme non stanno ferme ma vibrano per l’agitazione termica
VBATTERIA = 9 V
(assente solo allo zero assoluto). Se un atomo va a mettersi dove sta andando l’elettrone perché
C
D
prima lì il passaggio era libero, l’urto è inevitabile e l’elettrone si ferma dissipando in calore
R1
R2
l’energia cinetica che aveva. Sotto l’azione della forza F che provoca la “migrazione di
Dire “la tensione del punto A” non ha senso
i
B
elettroni” (la corrente), l’elettrone riparte e accelera (tanto più quanto maggiore è F), fino al
Due resistenze R1 e R2 si dicono in serie quando sono collegate A
prossimo urto che lo fermerà.
in modo tale da essere necessariamente percorse dalla stessa
corrente. Dall’esterno dei punti A e B non si nota alcuna
A
B
Aumentando la temperatura,
Un materiale dove gli urti sono più frequenti
differenza se alle due resistenze in serie si sostituisce una
aumentano le vibrazioni e quindi
rallenta di più il moto ovvero offre maggiore
resistenza pari alla somma delle due resistenze. Esprimiamo
Rs = R1+R2
gli urti e quindi la resistenza.
resistenza al moto degli elettroni.
questo fatto dicendo che la resistenza equivalente a due
resistenze in serie è la somma delle due resistenze.
Gli elettroni di un isolante non si muovono
Conduttore che (a seconda del materiale e delRequivalente serie = R1 + R2
neppure applicando loro una forza elettrica.
la sezione) offre una certa resistenza al moto Due resistori R e R si dicono in parallelo quando la
1
2
Quelli di un conduttore, invece, camminano
tensione presente ai loro capi è necessariamente la stessa
(più o meno velocemente a seconda del
A
A
B
(perché i loro terminali sono colleA
F
materiale del conduttore e dello spazio per
gati tra loro e tra 2 punti di un con+
passare che hanno a disposizione) se c’è una
duttore non può esserci tensione).
R1
G// = G1 + G2
forza che li spinge.
Batteria
Ad aumentare, mettendo in
R2
V
AB R =1kΩ
Per far scorrere corrente tra A e B bisogna
parallelo a R1 una R2, è la
1
1
1
1
+
conducibilità tra A e B.
mettere una batteria che crea una tensione tra
= +
G1=1mΩ-1 G2 = 1/R2
Detta conduttanza G l’inverso
A e B (nell’esempio di 10 Volt)
10 V
R// R1 R2
della resistenza (notare che dire
Ma cosa è una tensione? La tensione elettrica tra due punti A e B (indicata con VAB e misurata
B
R1=1kΩ o che G1= 1mΩ-1 è
B
in Volt) è definita come il lavoro da compiere per spostare una carica unitaria da A a B.
equivalente perché da una si può
Il lavoro è forza * spostamento e dire che si fa un lavoro per spostare una carica da A a B è
ricavare l’altra facendo l’inverso), non si noterà alcuna
R *R
come dire che nel percorso da A a B c’è una forza elettrica che agisce sulla carica.
Requiv. parall = R// = 1 2
differenza sostituendo le due conduttanze in parallelo con
Anche se una tensione non è una forza ma un lavoro, allora, possiamo dire che c’è tensione se
R1 + R2
una conduttanza pari alla loro somma.
ci sono forze elettriche.
++++
---La batteria crea tensione (ovvero fa nascere
Per capire quanto vale il parallelo bisogna partire dalla
++++ A F1
F2
F3 B - - - forze elettriche) accumulando cariche + in
resistenza di valore minore, che è quella più importante
R// < R1 < R2
eccesso rispetto alla neutralità sul suo
in un parallelo (mentre in una serie è ovviamente più
Batteria
terminale positivo e cariche – in eccesso
importante
la
R
di
maggior
valore):
A’
B’ Conduttore perfetto
sul suo terminale negativo.
1kΩ // 20kΩ ≅ 1kΩ
- Se R1 è la minore, la R// sarà senz’altro minore di R1
+
Se supponiamo che i fili siano conduttori a
- Di quanto minore dipende dalla R2 e può variare tra
10 V
resistenza nulla, non può esserci tensione
1kΩ // 1kΩ = 500Ω
due estremi: quasi niente minore se R2 > 10 R1
tra A e À’ o tra B e B’ perché ogni squilibrio di cariche si livella subito se non c’è
fino a dimezzarsi se R2 = R1
resistenza al loro movimento e la tensione tra À’ e B’ è la stessa che c’è tra A e B.
U3
+
-
Domande e risposte su “I – V - R”
Tra i due terminali dove è
collegata la batteria (che sono
Quali materiali sono conduttori? Quelli che hanno elettroni liberi di muoversi da un atomo detti terminali di alimentazione del circuito) ci sono, di
all’altro (perché tutti gli elettroni si muovono nel senso che ruotano intorno al nucleo)
regola, molte resistenze R.
(?’)
Terminale di alimentazione +
+
1.5V
-
C
R6
1.0kΩ
IR2
R2
+
1.0kΩ 4.5V
-
V1
V1
Quali materiali sono isolanti? Quelli i cui elettroni non sono liberi di muoversi da un atomo
R1 +
A 4.5mA E
9
9V
V
Ai capi di R1 c’è VR1 = 9 V per
1.0kΩ 9V
all’altro
ché essa è collegata direttamente
+ R4
R5
R3 +
La corrente nel punto A di un filo è di 1 Ampere se… in 1 sec passa una carica di 1 Coulomb
ai terminali della batteria da 9 V. 7.5V 10kΩ
1.0kΩ 4.5V
IAB 10kΩ
RAB
La tensione VR2 ai capi di R2
B
D
La tensione tra A e B è… il lavoro compiuto per spostare 1 Coulomb da A a B
deve essere invece inferiore,
perché i 9 V della batteria si
Perché se A e B sono collegati da un conduttore perfetto la tensione tra A e B è zero?
Massa
Terminale di alimentazione Perché non si compie alcun lavoro per spostare una carica da A a B se tra di essi c’è un ripartiscono tra R2 e R3. Trattandosi di due R uguali, si può
conduttore perfetto
intuire che la ripartizione è in parti uguali e che quindi su ognuna ci sono 4.5 V
Usate la spiegazione che preferite, basta che sia chiaro che tra due
Per calcolare la VR2 con la legge di Ohm bisogna prima capire che essa non dice che V=RI,
punti di un conduttore non può esserci tensione elettrica
perché in un circuito reale ci sono molte R, ognuna con la sua V e la sua I, e va precisato quale
+
+
V, quale R e quale I sono legate da tale relazione.
Una batteria crea tensione tra i suoi
morsetti accumulando cariche positive… in eccesso rispetto alla neutralità sul suo morsetto + e cariche
negative in eccesso rispetto alla
neutralità sul suo morsetto -
+
+
+
I = 9 mA
+
+
+
U3
R = 1 kΩ
Se con RAB intendiamo la R5, allora dobbiamo considerare come IAB è la corrente che va da A
a B attraverso R5 ignorando quella che va da A a B via R4
Filo di materiale conduttore
A ++++
+++++
+++++
++++
+
-
Per usare correttamente la legge di Ohm bisogna scegliere due
VAB = RAB IAB
punti A e B tra i quali applicarla e poi scriverla nella forma =>
dove IAB è la corrente che va da A a B percorrendo la resistenza RAB
B
- - - - - - - - - - - - - - -
Perché nessuna batteria è in grado
VBATTERIA = 9 V
di creare tensione tra due punti A e
B di un conduttore perfetto?
Perché per creare tensione dovrebbe accumulare cariche in una zona ma appena le cariche sono
in eccesso si ridistribuiscono annullando l’eccesso (è come cercare di alzare il livello di un
liquido in una zona, operazione impossibile perché il dislivello si pareggia subito)
IAB A
Cosa è, per definizione, la
VAB
resistenza RAB tra A e B?
= R AB
VAB
I AB
B
VCD
9
=
= 4.5mA
RCD 2k
VCE = RCE I CE = R2 I R 2 = 1k * 4.5m = 4.5V
Applicando Ohm tra C ed E, calcolare VR2.
9
Sapendo che RABtot = 5 kΩ dimostrare con Ohm che VAB = 7.5 V VAB = 5k
= 7.5V
5k + 1k
Applicando la legge di Ohm tra C e D, calcolare IR2.
I R2 =
VAB ci dice di quanto il potenziale del punto A supera quello del punto B e va pertanto sempre
misurata tra due punti. Quando si dice “la tensione del punto A” si sottintende “rispetto al
punto contrassegnato nello schema elettrico come massa”. Poiché tutti i punti di un conduttore
sono allo stesso potenziale, per lo stesso motivo per cui sono allo stesso livello tutti i punti di
un liquido, nel nostro schema dire VAB o VAD o VA(sottinteso Massa) è equivalente.
Resistori, codice colori e potenziometri
(11’)
1) Il parametro principale di un resistore è la resistenza R,
il cui valore a volte è scritto sopra ma più spesso è
comunicato tramite un codice che usa i colori ! !
2) Un secondo parametro
è la potenza che è in
grado di dissipare per
lunghi periodi di tempo
senza danneggiarsi
modificando la sua R
(a Tamb < 60/700C)
10W
7W
5W
2W
1/2W
1W
Coefficiente
Prime Moltipl. Tolleranza di temperatura
1/8W 2/3 cifre
(*10-6 /0K)
1/4W
0
1
Quelli più usati sono
10
6.7 4.1 mm 2
8
5 cm
da 1/4 di W.
3
4
3) Il terzo parametro come importanza è la tolleranza (normalmente è 5% o
5
10%, raramente 1%). I produttori non costruiscono resistori per tutti i valori di
6
R ma solo per alcuni, più fitti se la tolleranza è bassa e meno fitti se è alta ! ! !
7
8
9
20 %
2 2 00 Ω
10 %
3 3 000 Ω
33 2 x 0.01 = 3.32 Ω 2 %
9 5 3 x 1 = 953 Ω
2%
tipo B
logaritmico
Potenziometro
Trimmer = potenziometro che
si varia col cacciavite
(o resistore a resistenza variabile)
0.01
0.1
1
10
100
1k
10 k
100 k
1M
10 M
20 %
10 %
5%
1%
2%
0.5 %
0.25%
0.1 %
E6
E12
(20%) (10%)
10
10
12
15
15
18
Fotoresistore
22
22
27
NTC
P=10 KΩ
33
33
10
KΩ
50KΩ
KΩ lineare
39
47
Term(ores)istori 47
56
PTC
5 KΩ
10
KΩ
68
68
82
Assente
Argento
Oro
Nero
Marrone
Rosso
Arancione
Giallo
Verde
Blu
Violetto
Grigio
Bianco
200
100
50
15
25
10
5
1
E48 (2%)
100
121
147
178
215
261
316
383
464
562
681
825
105
127
154
187
226
274
332
402
487
590
715
866
110
133
162
196
237
287
348
422
511
619
750
909
115
140
169
205
249
301
365
442
536
649
787
953
Risposte su “Resistori”
(3’)
Cosa vuol dire che un resistore è da 1/4 di W?
Che può dissipare 1/4 di W per tempi lunghi senza danneggiarsi e in particolare senza cambiare
il valore della sua resistenza
Quanto vale la tolleranza se ci sono 3 fascette colorate sul resistore? Se ci sono solo 3 fascette
manca la fascetta della tolleranza e quando manca vuol dire tolleranza del 20%
Che valore può avere la R effettiva se la R nominale è 100 kΩ e la tolleranza è del 20% ?
Il 20% di 100 è 20 => la R effettiva può andare da 100 – 20 = 80KΩ a 100 + 20 = 120KΩ
Sapendo che i primi 4 colori sono NERO MARRONE ROSSO ARANCIO dire quanto valgono
Ricordando che arancio = K =
0
1
2
3
R = 2 2 00 = 2,2 KΩ
R = 3 3 000 = 33 KΩ
10 %
R = 3 3 2 x 0,01 = 3,32 Ω
Come si scrive con il codice a colori a tre fascette 10K ?
E6
(20%)
10
Cosa c’è nella serie E6 dopo 100 KΩ ?
100 K
15
150 K
22
220 K
33
330 K
47
470 K
68
680 K
Cosa significa il 6 nel nome “serie E6”?
Che ci sono 6 valori di R tra 10 e 100 (escluso)
tra 100 e 1000
tra 1k e 10k
tra 10k e 100k
…
Condensatore e capacità C
(7’)
Armature
Isolante
Un condensatore è un componente elettronico a due piedini (bipolo) costituito da due superfici
conduttrici (armature) separate da un materiale isolante (o materiale dielettrico)
Se su un’armatura è arrivata (si è accumulata) una carica Qc positiva (unità di misura Coulomb),
sull’altra armatura c’è una identica carica Qc solo negativa. Se sulle armature ci sono accumulate
Se arriva una
cariche di segno opposto, allora tra le armature c’è una tensione Vc
+
carica + su
manda via
un’armatura
La carica che si può accumulare su un condensatore non è fissa ma dipende dalla tensione
una carica +
che spinge dentro le cariche (un condensatore è simile ad una bombola di gas …)
dall’altra
Qc
armatura
Supponiamo che su un’armatura ci sia una
+++++++++ +
carica in eccesso Qc1 = 5 µCoul e che si sia
formata tra le armature una tensione Vc1= 5V
- - - - - - - - - Vc
220 pF 2 kV
Se la carica raddoppia, la tensione raddoppia
Carica - +
ceramici
in eccesso un’altra
Qc1 Qc 2
 Coul

= Farad 
=
= cos t = Capacità 
carica +
poliestere
Vc1 Vc 2
 V

47 nF 400 V
22 µF 63 V
Cosa è la capacità C di un condensatore?
5µCoul 10 µCoul
E’ un numero che caratterizza il condensato=
= 1µF
re e che ci dice quanti Coulomb entrano nel
5V
10V
condensatore caricandolo con una V di 1V
elettrolitici
ic
4700µF 50V
all’alluminio
+
∆Qc = C∆Vc
Qc = CVc
Per C grandi occorre
aumentare la superficie delle armature e
diminuire la distanza.
+ terminale più lungo
+ 10µF 25V C’è una V massima
al tantalio
Vc
Qc
C
+
+
+
10 µF
25 V
∆Vc
∆Q
=C
∆t
∆t
Se iC è grande la VC varia
rapidamente per cui iC e
∆VC / ∆ t sono direttamente proporzionali.
La costante di
proporzionalità è C
Derivata di Vc rispetto a t
∆Q
= ic
∆t
Per definizione di i
ic = C
∆Vc
∆t
ic = C
dVc
dt
Induttore e induttanza L
(5’)
L = 60 µH
2A
L = 2 µH
5A
Un induttore è composto da un filo avvolto in aria
o avvolto su una barretta di materiale ferromagnetico
o su un percorso chiuso sempre di materiale ferromagnetico.
La corrente i che passa nel filo produce un campo magnetico L = 10 nH
la cui entità è individuata dal flusso di campo magnetico, che si
indica con φ e si misura in Weber (Wb)
Linee di forza del
Tra la corrente i che percorre il filo avvolto e il flusso magnetico φ che campo magnetico
essa produce c’è una proporzionalità diretta:
φ = k i dove k = costante
i
La costante di proporzionalità si indica con
φ=Li
L e si chiama induttanza
Visto che L = φ / i l’induttanza si misura in Wb/A, unità di misura che
viene chiamata Henry ( H = Wb / A )
Cosa è l’induttanza, allora? Il numero per cui bisogna moltiplicare i per
avere il φ prodotto da quella i quando scorre in quell’avvolgimento
Perché il filo è avvolto? Per aumentare il flusso φ prodotto da quella
corrente (se la corrente i in una spira produce un flusso φ e l’induttore è
composto da N spire, il flusso prodotto dalla stessa i diventa N φ)
φ del campo magnetico variabile
v=
∆Φ
∆t
Se i varia anche φ varia
Se il φ concatenato con una spira varia
ai capi del filo si produce (induce) una tensione v
pari a ∆φ / ∆t, dove ∆t è il tempo in cui avviene
la variazione di flusso ∆φ (legge dell’induzione)
Visto che φ = Li allora ∆ φ = L ∆ i e si ha che:
Questa legge può essere
A cosa serve il materiale ferromagnetico? Ad aumentare l’induttanza,
ricordata a partire da quella
ovvero il flusso prodotto dalla corrente (la resistenza incontrata dal flusso del condensatore scambianper passare nell’aria, chiamata riluttanza, è molto maggiore di quella
do i con v e C con L
incontrata nel ferro, per cui il flusso in aria è molto minore del flusso sul
ferro a parità di i e di numero di spire)
v=
∆Φ
∆i
=L
∆t
∆t
ic = C
∆Vc
∆t
Un induttore avente un’induttanza L di 10 mH è percorso da una corrente i di 1 mA. Quale flusso φ produce la corrente?
Quale tensione si induce sull’induttore se la corrente si annulla in 1 µsecondo?
φ = Li = 10m 1m = 10 µWb
v=L
∆i
1m
= 10m
= 10V
∆t
1µ
oppure v =
∆Φ 10µ
=
= 10V
∆t
1µ
Breadboard, integrato con 4 AND e LED
Vediamo cosa è e come si usa la
basetta sperimentale (bread-board)
usandola per montare un semplice
circuito digitale binario, ovvero un
circuito dove le tensioni in ingresso e
in uscita possono essere solo alte (=
tensione della batteria) o basse (=
tensione zero)
(6’)
J1
U1A
R1
330Ω
Tacca di riferimento
14
1
13
2
12
3
11
4
10
5
9
6
8
7
Key = A
U1B
LED1
74LS08D
J2
Key = B
K
V1
5V
U1C
74LS08D
K
U2
+
5.000
0.000
U1D
V
DC 10MΩ
-
74LS08D
K
K
74LS08D
Schema elettrico
Bread-board
ELENCO COMPONENTI
STRUMENTI
V1:
Alimentatore 1-30V5A regolato a 5V
J1 = J2 = deviatore 1 via 2 posizioni
U2
=
Multimetro portatile usato come
U1 = integrato 74LS08D
Voltmetro
in continua (DCV) con
LED1 = Led rosso
portata
(fondo
scala) 20 V
R1 = Resistore 330 Ω da ¼ W
14
13
12
11
10
VCC
8
U1C
U1D
J1 J2
9
U1A
U1B
74LS08
GND
1
2
3
4
5
6
U2
Schema di montaggio
7
LED1 R1
R1
A
Teorema di Thevenin e Ruscita
B
PARTE 1: trovare
l’equivalente di
Thevenin del bipolo
AB (in grigio nello
schema 1) e la
resistenza d’uscita del
circuito con uscita AB
ReqT3
(4’)
4.99kΩ
V1
10kΩ
10 V
R2
R3
10kΩ
100kΩ
Fig. 1: Schema elettrico 1
Fig. 2: Schema di montaggio 1
Elenco componenti 1
R1 = R2 = 10 kΩ ¼ W 10%
PARTE 2: misurare l’abbassamento % da vuoto a
carico sul circuito equivalente di Thevenin (in
grigio nello schema 2) e su
quello originale con carico:
a) di 50 kΩ (= 10Ru );
b) di 5 kΩ (= Ru );
c) di 500 Ω (= 1/10 Ru )
VeqT3
5V
R12
R13
49.9kΩ
4.99kΩ
R14
499Ω
Fig. 5: Schema elettrico 2
XMM2
5 kOhm
Fig. 6: Schema di montaggio 2
R3 = 100 kΩ ¼ W 10%
R1
R1
R2
ReqT
R3
VeqT
A
ReqT3
4.7kΩ
V1
4.99k
5 Ω
R12
R13
R14
5V
P1
1KΩ_LIN
Key = A
40%
5V
B
A vuoto (senza R collegata in uscita) Vu =
VeqT = 5 V perché ai capi di ReqT non c’è
tensione e la somma della Vu e della V su
ReqT deve essere pari a 5 V
Fig. 3: Il circuito equivalente
di Thevenin.
La ReqT dicesi resistenza di
uscita (Ru) del circuito
Fig. 4: Misure 1
A
.
B
A
.
B
Abbassamento di V da vuoto a carico:
0.454
= 0.091 = 9.1%
5
Meno del 10% della tensione
a vuoto si perde per strada
se Ru=10% Rcarico
2.499
= 50%
5
Il 50% della tensione a
vuoto si perde per strada
se Ru=Rcarico
4.545
= 90.9%
5
Più del 90% della tensione a vuoto si perde per
strada se Ru=Rcarico/10
Partitore a vuoto
V~
(5’)
Alimentatore
(power supply)
V=
Partitore
R1
1
1.0kΩ
0 00
5%
=> Codice
colori
Vuscita
Vi
10 V
+
R2
1.0kΩ
Vuscita = Vi / 2 = 5 V
-
I=
V 10
=
= 5mA
R 2K
Come si poteva
prevedere che ai
capi di R2 ci
sarebbero stati 5
Volt?
1) Applicando la legge di Ohm
ai capi di R2
IVi = 5 mA
10
= 5mA
2K
VR2 = IR2 * R2
= 5m * 1K = 5 V
IR2 = 5 mA
2) Notando che VR2 = VR1
(perché R2=R1 e IR2 = IR1 per
cui la V, che è il prodotto V*I è
uguale in entrambe) e che la
somma delle due tensioni deve
fare 10V (legge di Kirchhoff
alla maglia)
per cui le due tensioni devono
essere entrambe di 5 Volt
Partitore con interruzione
(5’)
A
.
1) Preso il circuito del partitore già montato e chiamati
A, B, C e D i punti mostrati, provocare una interruzione
del collegamento tra B e C.
IVi = ?
2) Misurare IVi, IR1, IR2, VR1, VR2, VBC
Vi
10 V
VXY = RXY * IXY
+
La somma di tutte le cadute di tensione tra A e D = la
tensione tra A e D creata dalla batteria e pari a 10 V
La corrente in A (Ivi) = 0 e quella in R1 (IR1) = 0 perché gli
elettroni non possono andare oltre B e se non si muove
l’elettrone davanti non può muoversi neanche quello
dietro (pensare ad una fila di persone: se non può avanzare
la prima persona della fila, non ha posto per avanzare
neanche l’ultima della fila)
VCD =
VR2 = ?
D
.
IR1 = ?
R1
1.0kΩ
.+
V
C .
B
3) Giustificare i valori trovati (tutte le grandezze sono
0, meno VBC = 10 Volt) usando la legge di Ohm
e la legge di Kirchhoff
+
VAB =
VR1 = ?
BC =
?
IR2 = ?
R2
1.0kΩ
Vi
10 V
Si può arrivare alla stessa conclusione usando la legge di Ohm tra A
eD
Si può arrivare alla stessa
conclusione usando la
legge di Ohm tra C e D
VCD
=
R CD
0
=
= 0A
1K
I CD =
B
1.0kΩ
.
R2
V
I AD = AD =
R AD
10
=
=
R1 + ∞ + R 2
10
=
= 0A
∞
La corrente in C (IR2) = 0
perché l’interruzione tra B
e C non trasmette la
tensione della batteria e
niente tensione => niente
forza applicata agli
elettroni => nessun
elettrone si muove
R1
VR1 = R1* I R1 =
= 1K * 0 = 0V
-
1.0kΩ
D
VBD = Vbatteria − VR1 =
= 10 − 0 = 10V
A
.
VAE = 1K * 0 = 0V
A
.
.
C .
E
Usando Ohm tra C e D
VCD = R CD * I CD =
= 1K * 0 = 0V
D
Se si ricorda che la
tensione tra due
punti C e D è il
lavoro fatto per
portare una carica
da C a D
si può giustificare la
tensione zero tra C e
D notando che il
lavoro per portare
zero cariche da C a
D è zero
Legge di Kirchhoff alla
maglia: La somma di tutte
le cadute di tensione tra A
e D = la tensione tra A e D
creata dalla batteria e pari a
10 V
VAD = VAB + VBC + VCD
10 = 0 + VBC + 0
B
C
D
.
.
.
Circuito per il
segnale
Ampli chitarra-sovrapposiz. effetti
v
1V 2
Circuito
in
continua
-1V
Fourier
V1
Power led
v2
in cc
1
X C = = ∞ v2
0
in cc
C
VU1
R
Volume (col cacciavite)
Line output
Nodo 1 N2
N5
XC =
C
v2
R
V1
in cc
vu2
1
<< R
v2
2πfC
V1
=
=>
3V
1
2V
2πfC 1V
t
C
vU = VU1 + vu2
R
1V
t
VU1
XC ∞
VU1
t
vu2
XC trasc
R
vu2
=
+
1V
t
1 msec
Circuito per il segnale
È un partitore anche questo circuito, solo che la
partizione varia
con la frequenza
della sinusoide
(perché varia con
f la reattanza di
C ovvero la sua
resistenza al
passaggio della
corrente) !
Led (dia Breadboard)
N4
N3
interrotto
R1 cortocircuitato
R1 interrotto
Condensatore
Sticker
Guitar IN
V1
R
V
vI
1
Circuito in continua
Power on/off
Level adjustment
v2
t
V1
Headphones
Spettri
2V
Notare quanto spesso si
incontra quel partitore
che stavamo studiando
Tone control
frequenza f => Tester
La R di C = X C
t
R di L = XL
v
(11’) I
L’amplificatore operazionale
Ramo
N3–N7
N14
N15
A1-A2
N11
RV2
cc
(by-pass)
N7
N6 RV1
Vi ho portato questo circuito
1) perché non voglio più
sentire “il circuito è aperto” 2) per parlare
Aperti o chiusi sono solo gli di sovrapposizione degli
interruttori (switch)
Un ramo (o un componente) effetti
può essere integro, interrotto
o cortocircuitato
Potenziometri
A2
N10
Tone control
N16
N18
N12
Power led
N17
A1
N8
N9
N13
N19
Power on/off
RV1
LD1
Headphones
RV2
N20
(dia Resistori)
Schema elettrico
Level adjustment
(col cacciavite)
Line output
Guitar IN
Sticker
Schema di montaggio
VCC
VCC
AND a diodi
(9’)
A, B, Y variabili binarie (H/L, V/F, 1/0, C/A)
R1
A, B H (5V come la Vcc di alimentazione) o L (0V)
Le operazioni base tra variabili binarie sono tre:
OR o somma logica (≠ aritmetica)
Operazioni di
algebra binaria
AND o prodotto logico
(algebra di
NOT o negazione logica
Boole)
A and B = H se
?
A = 5V D1
10kΩ
A
Y
D1
10kΩ
Y = 5 – VR1 ≤ 5
5V
D2
D2
VB
5V
DIODE_VIRTUAL
AB = 1 se A e B sono 1
GND
A e B sono H
Porta AND
5V
Porta logica =
circuito che esegue
una operazione logica
B
A
Y = A and B
GND
Di regola la massa è
collegata a terra e per
questo qui è chiamata
GND (Ground)
Casi possibili
Con N ingressi i casi possibili in
ingresso sono 2N (22=4 23=8 24=16 A
B
210=1024=1k informatico)
da 0 = 000…0
2N numeri
a
2N-1
= 111…1
0
0
1
1
5V
. P1
A D1
R1
A
&
B
Y = A and B
Risultato Casi possibili
A*B
Risultato
A
B
A and B
L
L
H
H
L
H
L
H
L
L
L
H Ok
Y
D1
R1
10kΩ
Y
D1
Vcc
A
Vcc
5V
5V
5V
D1
R1
0.634
V
DIODE_VIRTUAL
VB
GND
5V
R1 P1
10kΩ
VA
5V
5V
VB
Vcc
5V
5V
10kΩ
GND
Y
B
5V
R1
10kΩ
R1
U1
+
5.000
DC 10GΩ
V
-
VB
5V
VR1 = 0 V
Y - R1 + 0 mA
+
VR1 = R1*IR1
10kΩ IR1
IR1 = 0
Vu = 5 V
VR1 = R1*0 = 0
0 + Vu = 5
GND
-
U1
+
4.995
V
10kΩ
5V
10kΩ
0.5 µA
IR1
Rvoltmetro
XIV1
10MΩ
R1
Vcc
10kΩ
5V
GND
5V
0,7 V
GND
D1
VB
5V
GND
R1
VCC
R1
Vcc
V = 5 mV
- R1 +
DC 10MΩ
-
5V
Vu
Vcc
B
5V
+
Y
Y
A
VR1 + Vu = 5
DC 10GΩ
B D2
P1
VA
A
U1
+
D1
10kΩ
0,7 V
D2
- P2 -
Diodo reale V1 > 0,5 V
nei diodi al silicio
DIODE_VIRTUAL
(>
1,7 V nei LED)
±100%
±10%
VCC
GND
Vu = 0,7 V (diodo reale)
Vu
DIODE_VIRTUAL
0,7 V
(LED 1.7 V)
DIODE_VIRTUAL
VA
-
5V
5V
10kΩ
5V
GND
10kΩ
DIODE_VIRTUAL
Vu = 0 V (diodo ideale)
DIODE_VIRTUAL
VB
P1
V1
VCC
R1 P1 I
Y
10kΩ
B
DIODE_VIRTUAL
Tabella di verità
Tabella di verità
dell’operazione AND dell’operazione AND
H = 1 in logica positiva
VCC
A
D1
5V
A
0
0
0
1
0
1
0
1
V1
Y = A and B
B
+
R1
GND
VCC
A
+
Vi
-
VR1+Vu=5V
IR1
DC 10M
10GΩ
V
-
DIODE_VIRTUAL
+
10kΩ
VD +
- D2
U1
+
5.000
0.000
4.995
B
P1
R1
DIODE_VIRTUAL
DIODE_VIRTUAL
VA
DIODE_VIRTUAL
5V
+
VR1
D1
-
VR1 = R1*IR1
R1
L. di Kirchhoff
sulle tensioni
VCC
VR1+VD +Vi = 5V
5V
5V
0,7 V
I R1 =
5
= 0,5µA
10M
Vu = 5000 – 5 = 4995 mV
DIODE_VIRTUAL
GND
Risposte su “AND a diodi”
(9’)
Cosa è una variabile binaria? È una variabile che può assumere due soli valori.
Se VA è una tensione come deve essere la tensione per essere binaria? Deve essere alta (High) o
bassa (Low), es. VA = {0, 5V} oppure VA = {5V, - 5V}
Fare un esempio di tensione V1 digitale (= che può assumere solo alcuni valori) non binaria.
V1 = {3V, 2V, 1V, 0V} oppure V1 = {3V, 1V, -1V, -3V}, con V1 che può assumere 4 valori
Un esempio di variabile numerica X binaria e Y non binaria. X = {0, 1} e Y = {0, 1, 2, 3}
Spiegare perché un diodo ideale ha un comportamento binario.
Perché un diodo ideale è un tasto che può assumere solo due stati {chiuso, aperto}.
Spiegare perché un LED per il quale sia significativo se è accesso poco o tanto non ha uno stato
binario. Perché può assumere 3 stati {spento, acceso a bassa luminosità, acceso ad alta luminosità}
Fare esempi di proposizioni (condizioni) che possono essere solo vere o false.
(X = 5) oppure (X < 0) sono condizioni che a seconda del valore attuale di X o sono V o sono F
Cosa vuol dire che la legge di Ohm V=RI va applicata tra due punti? Vuol dire che se la V usata è la VAB (V tra A e B) allora la R deve essere la RAB e la I deve essere la IAB che passa in RAB
Cosa vuol dire “la IAB che passa in RAB”? Vuol dire che se tra
A e B ci sono due R in parallelo (R1 e R2), se nella legge di
Ohm metto R1 allora devo mettere IR1 (VAB=R1*IR1), se metto
R2 allora devo mettere IR2 (VAB=R2*IR2) e se infine metto
R1//R2 allora devo mettere IR1//R2 (VAB = R1//R2 * IR1//R2)
A
IR1
+
R1
10kΩ
IR1
5V
+
VR1
D1
DIODE_VIRTUAL
VD +
- D2
Vi = 5
Un circuito si dice a vuoto quando…
Tra i morsetti di uscita non è collegato nulla
VCC
B
Quali 3 equazioni permette di scrivere la legge di Kirchhoff
applicata tra P1 e P2 di Fig. 1, punti tra i quali ci sono 5V?
VR1 + VD + Vi = 5
IR2
R2
R1
La legge di Kirchhoff applicata tra due punti P1 e P2 dice che …
… la somma delle tensioni incontrate in un qualsiasi percorso
che va da P1 a P2 = VP1P2
VR1 + Vu = 5
IR1//R2
+
Vi
-
DIODE_VIRTUAL
P1
R1
10kΩ
+
Vu
-
P2 Sapendo che se CA e CB sono condizioni la condizione CA AND CB è Vera solo se entrambi le
Vcc Giustificare usando Kirchoff e Ohm che in
condizioni sono vere, quanto vale (X=5) AND (X<0)? Falsa, xché non possono essere V insieme Vu
5V
Fig. 2 si ha Vu = Vcc
GND
Fig. 1
Cosa è un AND? È un’operazione di matematica, precisamente di algebra binaria (booleana)
Per Kirchoff Vcc = VR1 + Vu => Vu = Vcc – VR1
GND
Perché l’operazione AND è stata chiamata così (“e” in inglese)? Perché (A and B) = H se A e B
Per Ohm VR1 = R1 * IR1 ma IR1 = 0 perché è a vuoto per cui VR1 = 0
sono H, perché (A and B) = 1 se A e B sono 1, perché (A and B) = V se A e B sono V
Fig. 2
Perché
1
*
1
=
1,
1
*
0
=
0,
Perché l’operazione logica AND è chiamata anche prodotto logico?
Perché la tensione Vu = ai 5V forniti dalla batteria solo se non scorre alcuna corrente in R1?
0 * 1 = 0, 0 * 0 = 0 dando gli stessi risultati del prodotto aritmetico tra i numeri 1 e 0
Perché su R1 si ferma la tensione necessaria a farci passare la corrente e solo se non sta scorFare un esempio in cui si può fare il prodotto aritmetico ma non il prodotto logico. 2 * 5 = 10;
rendo nessuna corrente allora su R1 non si ferma nessuna tensione e i 5V arrivano tutti in uscita
2 and 5 = ?
VCC
Come si comporta un diodo se la tensione cerca di far passare corrente nel verso
Cosa è una porta logica? È un circuito che esegue un’operazione logica (= che dà in uscita il ri5V
contrario al verso indicato dal simbolo? Come un tasto aperto.
sultato di un OR o di un AND o di un NOT tra i suoi ingressi)
Come si comporta un diodo reale se una tensione < 0,5V cerca di far passare
P1
Posso mettere un 1 sull’ingresso A? No, in ingresso
VCC
R1
corrente nel verso indicato dal simbolo? Come un tasto aperto anche lui perché...
10kΩ
ad un circuito posso mettere tensioni ma non numeri
5V
Perché applicando ad un diodo una tensione diretta (= che spinge nel verso
D1
Porta logica =
Cosa vuol dire “mettere un 1 su A” ?
A
“giusto”) > 0,7V si rischia di romperlo? Perché superati
Y
A
Vuol dire “mettere su A una tensione alta”
circuito che esegue
gli 0,7V anche piccoli aumenti di tensione producono
DIODE_VIRTUAL
una operazione logica
(questo nella logica positiva, perché si fanno
+
Y = AandB grandi aumenti di corrente e si rischia di superare la
anche porte logiche in logica negativa e in queste B
corrente
massima
del
diodo
GND
D2
B
l’1 non è la tensione alta ma quella bassa)
Perché D1 di Fig. 3 conduce? Perché Vcc spinge la corVu
Posso mettere una tensione di 5V sul punto A? No, per applica- Massa e terra sono la stessa
rente nel verso in cui può passare ed è maggiore di 0,5V
VB
DIODE_VIRTUAL
re una tensione ho bisogno di due punti e quando si parla di
cosa? In teoria no, in pratica si
5V
perché la massa è a terra Perché D2 di Fig. 3 non conduce? Perché per farlo contensione del punto1 è sottinteso “rispetto alla massa”
durre la batteria che spinge nel verso “giusto” (Vcc) doveDove collego la batteria da 5V per mettere 5V sull’ingresso A? Tra A e massa col + su A
va superare di almeno 0,5V la batteria che spinge nel verso
Fig. 3
GND
Dove collego i terminali del voltmetro per leggere la tensione Y? Tra Y e massa col rosso su Y
“sbagliato” (VB) mentre qui sono uguali
Cosa è l’alimentazione? Una V continua (se il circuito è alimentato dalla sinusoide di rete c’è un
Perché se entrambi i diodi di Fig. 3 sono tasti aperti Vu=5V? Perché Vu = 5 – VR1 = 5 – 0 se
alimentatore che la converte in continua) necessaria per il corretto funzionamento del circuito
su R1 non passa corrente e non può passare corrente se i diodi sono entrambi aperti
Cosa è una tabella di verità di un circuito logico? Una tabella con due lati che a sinistra ha tutti i
Quanto vale Vu se D1 è in conduzione perché A è collegato a massa? Vu = VD1 = 0,7V
possibili casi d’ingresso e a destra l’uscita corrispondente a quel caso
Quante righe ha una tabella di verità se il circuito ha N ingressi? Ha 2N righe
Quanto fa 213 ? = 23 * 210 e quindi fa 16 * 1024 = 16k (dove k non è 1000 ma 1024)
Quanti e quali numeri si possono scrive con 5 cifre binarie? 25 = 32 numeri da 0 a 31 = 25 - 1
Come si riconosce la funzione di una porta logica nella simbologia ANSI dove tutte le porte
sono rettangoli? Si riconosce dallo specificatore scritto dentro al rettangolo
Lo specificatore della porta AND è‘… & (“e” commerciale)
.
XSC1
LED protetto
(7’)
Un LED (Light Emitting Diode) è un diodo
che emette luce quando è attraversato dalla
corrente.
Vsoglia = 0,5V Le differenze rispetto al diodo sono 2:
Vsoglia > 1.5V 1) Serve più tensione per condurre:
a) tensione di soglia maggiore;
Vconduzione 0,7V
b) quando conduce ai suoi capi non
Vconduzione > 1,7 V ci sono all’incirca 0,7 V, ma:
1,7 V (led rossi) o 2V (led verdi)
o 3V (led bianchi)
In un LED normale la corrente varia
da 5mA (si vede acceso, ma la
luminosità è bassa)
a 20mA (alta luminosità).
Ext Trig
+
XFG1
_
B
A
_
+
+
_
+
?
10 mA
Vi = 5 V
LED1
-
o 4,5V (led ultravioletti)
o 1,3V (infrarossi)
Visualizzatore a LED di
tensione Vi alta o bassa
Vrottura > 70 V
2) la tensione inversa di rottura non è 60/80V come nei diodi
normali (400V nei diodi raddrizzatori) ma di soli 3-10V
Vrottura= 3-10V nei LED
?
10 mA D1
Vi
U1
+
5V
1.660
1.7 V
V
DC 10MΩ
-
LED1
R1
330Ω
+
I LED1 = I R1
V
= i
R1
0.010
V − 1,7 3,3
= i
=
= 10m
R1
R1
1.660
LED1
330Ω
330Ω
+
-0.683
V
-
0.7 V
V
-
R1
Vi
LED
+
5V
3,3
R1 =
= 0,33k = 330Ω
10
m
R1
5V
A
-
Vi
+
Vi
5V
-5.000
LED
V
-
D1
D1 limita a circa 1V la tensione inversa (quella quando
non conduce) sul LED
D1
1N4148
Nei LED di potenza (quelli usati
per l’illuminazione) si va da 100mA
a 20A
protezione
(es. un LED da 1W viene alimentato
del LED
con una corrente costante di 350 mA;
contro le
inversioni in alimentarli a tensione costante
ingresso
pregiudica o la durata o la luminosità e
non si fa)
I LED di potenza costano molto di
più dei led a bassa corrente visti i 230
euro che costava (prezzo 2010)
questo faretto a led da 27W…
1,7V/10MΩ = 0,17µA << 10mA
R1
Nei LED a basso consumo bastano
3mA (bassa luminosità) e 10mA (alta
luminosità).
R1
Senza il diodo D1 di protezione, sul led
va tutta la Vi di 5V e il led può rompersi
che emette la stessa luce di un neon
da 27 W (2200 lumen) e quindi ha la
stessa efficienza del neon (82
lumen/W)…
offrendo come vantaggio rispetto al
neon solo una durata di circa 10
volte maggiore, assenza di
sfarfallamento e accensione
istantanea, comportandosi quanto a
costanza della luce come un’alogena
che però consuma 4/5 volte di più
Domande
Risposte su “LED protetto”
Cosa è il duty cycle di un segnale quadro?
(9’)
Cosa significa la sigla LED? Light Emitting Diode, diodo che emette luce quando è attraversato
dalla corrente
In quali due aspetti un LED differisce da un diodo normale quando conduce?
1) Non gli bastano 0,5V per cominciare a far passare corrente ma servono almeno 1,5V;
2) quando conduce non ha ai capi circa 0,7V ma una tensione che dipende dal suo colore e va
dagli 1,7V di un led rosso ai 3V abbondanti di un led bianco
I LED che emettono infrarossi e ultravioletti hanno tensioni di conduzione nel range 1,7V-3V ?
No, quelli che emettono infrarossi hanno tensioni minori (1,3V) e quelli che emettono ultravioletti hanno tensioni maggiori (4,5V)
I LED ad alta potenza per illuminazione che tensione hanno ai capi
quando conducono? Da 3,16 V a 3,6 V a seconda del costruttore
Che tensioni fornisce un alimentatore da laboratorio? Da 0 a 30 V
In che intervallo sono le tensioni di alimentazione usate più
spesso in elettronica? Da 5 a 12 V
Cosa vuol dire la frase “applicare 5V inversi ad un diodo” ?
Vuol dire mettere ai suoi capi una tensione di 5V con le polarità
tali da spingere corrente nel verso in cui il diodo non la fa passare
Applicando 5V diretti (che spingono nel verso in cui può condurre) ad un diodo lo si brucia? Si.
Perché con 5V diretti un diodo si brucia? Perché si comporta da tasto chiuso, a parte il fatto
che ai sui capi ci sono circa 0,7V, e se metto 5V ai capi di un filo ideale (R=0) la corrente che
passa è I = 5 / 0 = infinita e un diodo ha una corrente massima superando la quale si brucia
Tra quali punti di un circuito non si deve collegare un filo se no si fa di sicuro “corto circuito”?
Tra i punti dove è collegata la batteria di alimentazione.
Applicando 5V inversi ad un diodo normale (cioè che non è un LED) lo si brucia? No.
Quali tensioni inverse possono danneggiare un diodo normale?
V > 60 V (oltre il doppio della massima tensione fornita dall’alimentatore di laboratorio)
Che corrente deve passare in un LED normale perché si accenda in modo visibile? 5 mA
E per una piena luminosità? 20 mA
Quali correnti si fanno passare in un LED a basso consumo?
Da 3 a 10 mA
R1
Che corrente passa in un led da illuminazione da 3W?
Circa 1A visto che la tensione di questi led è di circa 3V
R1 =
VR1 Vi − VLED1 Vi − 2
3
=
=
=
= 0.2k = 200Ω
I R1
I LED1
15m 15m
Vi
5V
LED1
Fig. 1
T
*100
Cosa è l’offset di un segnale?
Il suo valor medio
4V
Disegna un’onda quadra con stato basso 0V
e alto 4V di frequenza 1MHz e DC 25%
Vm
1
1
=
= 1µ sec
f 1M
0
Area 4 * 250n
Quale è il suo
Vmedio =
=
= 1V
valor medio?
T
250n * 4
T=
Sapendo che scegliere
AC sul selettore
AC/DC/GND dell’oscilloscopio significa
far passare il segnale
attraverso un condensatore che blocca il transito
del valor medio, cosa si
vede sull’oscilloscopio
se gli si manda la nostra
onda quadra con AC
premuto?
250n 500n
750n
1µ
250n 500n
750n
1µ
t (sec)
4V
AC
DC
GND
Selettore
AC/DC/GND
Vm
0
t (sec)
Il segnale viene traslato lungo le y finché
l’asse x non coincide col suo valor medio, per
cui adesso il suo valor medio è 0V
Come si chiama un segnale a valor medio nullo?
Segnale alternato
Quanto vale la Vu di Fig2 a vuoto (ovvero col
LED1 staccato)? 5V perché VR1=R1*I=R1*0 = 0V
Ruscita = ?
= Rthevenin =
= Rvista dall’uscita
con Vcc in corto
VCC
5V
R1
10kΩ
= R1 = 10kΩ
Quanta corrente scorre se cortocircuito l’uscita?
+
I 5V di Vcc vanno tutti su R1 e passa 5/10K = 0,5 mA
VA
5V
Se attacco il LED1 esso conduce?
Vu
Si, perché Vcc ha il verso giusto ed è > della V di
VB
LED1
5V
soglia (1,7V per i led rossi e 3V per quelli bianchi)
Se LED1 conduce che tensione ha ai capi? 1,7V
Che corrente passa in LED1? 3,3/10k = 0,33 mA
GND
Fig. 2
Perché LED1 non si vede acceso? Perché 0,33 < 5mA
Si poteva capire dalla corrente di cortocircuito di 0,5mA che non si accendeva?
Si, xché 0,5mA non bastavano e ne sarebbero passati meno mettendo il led al posto del filo
Applicando 5V inversi ad un LED lo si brucia?
Forse si, forse no, perché i LED reggono dai 3 ai 10V e forse 5V li regge, ma non è sicuro
Che R1 serve in Fig. 1 per far passare 15 mA nel led1 se la
tensione sul led in conduzione è di 2V?
DC % =
Tche_ sta _ ALTO
D1
1N4148
In che stato di uscita si accende il LED1
in Fig.3? Nello stato basso (Vu=0) perché
se Vu fosse alta (cioè di 5V) avrebbe 5V da
ambo i lati e resterebbe spento
Cosa si può dire sulla Ruscita quando la tensione scende
Che tensione c’è sul LED1 di Fig. 1 se la batteria è collegata al contrario e perché?
molto da vuoto a carico (come in Fig. 2 dove passava da
Ci sono 5V perché su R1 non cade nessuna tensione visto che non passa corrente
5V a vuoto a 1,7V col led1)? Che Ruscita è grande, perCosa cambia con Vi collegata come in Fig.1 se c’è il diodo D1? Nulla perché D1 è un tasto aperto ché la V che viene a mancare in uscita cade su Ruscita
Cosa si può dire sulla Ruscita quando la tensione non
Dire che tensione c’è sul LED1 con la batteria invertita in presenza di D1 e perché
scende per nulla da vuoto a carico (come in Fig. 3,
0,7V perché D1 conduce e quando un diodo conduce cade circa questa tensione su di lui
uscendo dove abbiamo messo R2+led, dove la tensione
5 − 0.7
era di 5V a vuoto e restava di 5V col led1?
Quanto è ID1 con Vi invertito e R1=200Ω? I D1 = I R1 =
= 21.5mA
Che Ruscita = 0
200
VCC
Ruscita = ?
5V
= Rthevenin =
= Rvista dall’uscita R1
con Vcc in corto
10kΩ
LED1
=0Ω
VB
5V
Fig. 3
R2
330Ω
GND
Collettore C
Base
B
IC
IB
Emettitore E
2) che IC è proporzionale ad IB ovvero che IC = k IB
IB = 0 => IC = hFE * 0 = 0 Se IB = IC = 0 il BJT si dice interdetto
-
Rcc
1.0kΩ
Vcc
5V
C
B
Vce
Rce
C
BJT1
Ib
E
-
10uA
IB
BC107BP
5uA
Ib
hFE
E
2.914m
Ib
-
15uA
Ic = 291*Ib => L’entità di Ib determina l’entità di Ic, ma Ic scorre
perché spinta da Vcc
hFE
4798µ
=
= 282 ≅ 291
17 µ
Rce_sat
C
0,1V
VCEsat
Ib
-
17uA
4.798m
-
4.909m
Vcc
5V
B
Vce
+
BJT1
BC107BP
Ib
E
0.092
-
V
B
BJT1
100kΩ
BC107BP
E
Rcc
1.0kΩ
C
1 mAB
V − VCEsat
V
I Csat ≅ CC = CC
RCC
RCC
5mA
5V
Vi
Alimentazione
Rce_int Rce Rce_sat
100 mA
C
C
C
Vbb
BJT1
BC107BP
Ib
Vcc
Rb
B
Dbe
Vce
0,2V
VCEsat
IB
E
E
I B ≥ I Bsat =
IC = hFE * IB
guadagno di
corrente in
continua del
BJT
Valori di hFE da 30 (nei
BJT di potenza) a 500
100kΩ
5V
soglia 0,5V
conduzione
E
0,7V
E
E
IB = 0
IB = hFE * IC
1.0kΩ
Rb
Vu
E
+
A
+
A
C
5V
Rcc
C
34uA
4365µ
= 291
15µ
LED1
Vi
= (da 4.8 a 4.9mA)
Transistor saturato:
Ic ha raggiunto il max
(quasi Vcc/Rc) e non
aumenta più aumenx2
tando IB
E
hFE =
4.365m
+
A
300Ω
Vbb
+
A
2914 µ
=
= 291
10 µ
Rc
Rce_int
C
1417 µ
I
= 283
hFE = C =
5µ
IB
I C = 283 *10 µ = 2830µA
+
A
1.417m
5V
(8’)
I 3 possibili stati del BJT
Transistor
in zona di
linearità
VCC
Transistor di tipo BJT (Transistor a Junction Bipolare)
(Ci sono altre due tipi di transistor: transistor FET e MOS)
Per capire il funzionamento del BJT in questo
Drain Drain
circuito basta sapere due cose:
1) che tra B ed E c’è un diodo;
Gate
Se Vbb ≤ 0,5V => IB = 0
VBB − 0,7
IB =
Source Source
Se Vbb > 0,5V =>
RB
Introduzione al transistor BJT
I Csat
hFE min
I Bsat =
5000µ
= 17 µA
291
L’amplificatore operazionale
µA741
(8’)
Un amplificatore operazionale (AO) è:
- un integrato (spesso usato per somme, moltiplicazioni, integrazioni,…)
- che contiene un amplificatore a più stadi
I + Ib2
- che generalmente richiede una alimentazione duale (due
Ib = b1
2
tensioni uguali ed opposte), di regola con valori tra 5 e 15V
[ Vu può variare da + (Valim+ - 1÷2V) a - (Valim- + 1÷2V) ]
Ib2
0.3+07=
1V
VEE
-12V
-12V
Ingresso invertente
(un + spinge l’uscita verso il -)
U1
741
V2
10mV
+
11.115
12V
-12V
Vos, tensione di
sbilanciamento
(di offset) in
uscita
+
0.545m
1.03083mV
+
V
12V
Vis, offset in ingresso in grado
di azzerare l’uscita (valore max
entro cui sta il valore reale)
0.000
+
V1
Vi = V1-V2
-
V2
AO ideale
Vis tip = 1 mV µA741
LF157
-
LF 157
BIFET con
Correnti
di bias
Ib1
altissima Rin
e bassissime
correnti d’ingresso Ib1 e Ib2
+
Vi’
(Vi+Vis)
Ri +
-
+
V
-
Ingresso non-invertente (un
+ spinge l’uscita verso il +)
-
Ibmedia tip = 80nA
+ 10V
Vumax = Vsat+ = + 11V
Vumin = Vsat- = - 11V
- 10V
VCC
12V
5 mV di offset
sono rimasti!
741
I di bias (polarizzazione)
V1
10mV
V
-
R9
Ib2
- ed è un amplificatore differenziale (ovvero ha due ingressi
che permettono di inserire due tensioni di segnale V1 - V2 e
una tensione di uscita proporzionale alla differenza V1-V2)
741
0.3+07=
1V
Q15
Ios = |Ib1 - Ib2| Rin
Ib1
- L’amplificatore è in continua (= può amplificare anche R
in
la continua non essendoci nessun condensatore in serie)
Q14
Ib1
Vis
Ruscita (Ro)
AvolVi’
Ib2
Rin
Vu (Vo)
Amplificazione di V open
loop (ad anello aperto)
ovvero senza reazione
Ri = ∞
Ro = 0
Ri = 2 MΩ
Ro = 75 Ω
Avol = ∞
Avol = 200 000
Avolmin = 20 000
Ri = 1000 GΩ
La grossa variabilità del guadagno non è un problema
quando l’operazionale è usato come comparatore.
Ro = 0.1 ÷ 10 Ω
Avol = 200 000
Gli AO a CMOS consentono basse alimentazioni e maggiore dinamica
(escursione della tensione) di uscita
È invece inaccettabile quando si vuol fare un amplificatore, ma il problema viene superato con la reazione
negativa al prezzo di una diminuzione del guadagno, che viene fatto grande proprio perché poi possa
essere sacrificato per ottenere guadagni stabili, ma anche per ottenere una Ruscita molto minore di quella
dell’operazionale e se serve una Ringresso molto maggiore
Alimentatore 1.2 – 25 V 1A
Primo contatto col tester (multimetro) portatile
(9’)
Per familiarizzare con tensione, corrente e resistenza, impariamo a misurarle col multimetro (o tester).
Prima dobbiamo alimentarlo ovvero… collegare le batterie. Premiamo POWER, mettendolo in posizione ON.
Se sul display non compare nulla, o la batteria manca o è scarica e bisogna provvedere.
Se i puntali non sono già connessi, bisognerà cercarli se si vuol misurare qualcosa. Ma dove connetterli?
Dipende: si vuol misurare tensione, corrente o resistenza? Vogliamo sapere se una batteria è carica o meno.
Ω.
La batteria fornisce tensione, che si misura in… volt (V), infileremo la banana rossa nella boccola V/Ω
La tensione è un dislivello tra 2 punti, per cui servono entrambi i puntali per misurare la Vbatteria.
La scrittura COM sta per “terminale comune a tutte le misure” e metteremo il puntale nero qui.
Ma in che posizione mettere il selettore? Cerco l’indicazione V, trovando però due sezioni ?!?
In effetti ci sono le tensioni costanti nel tempo (tensioni continue) come quelle fornite dalle batterie,
e le tensioni variabili nel tempo, come la tensione di rete che ha andamento sinusoidale, oscillando
tra + 311 V e –311 V (cambiare segno significa spingere un po’ in un verso e un po’ nel
verso opposto, con le cariche che vanno un po’ avanti e un po’ indietro lungo il filo)
compiendo 50 cicli completi al secondo perché un ciclo dura 20 millisec.
+
(il numero di cicli al secondo è detto frequenza e si misura in Hz, per cui
1.5
v(t)
non si dice 50 cicli al secondo ma con frequenza di 50 Hz, che vuol dire
V
esattamente la stessa cosa).
Tra le tensioni variabili, hanno una particolare importanza quelle che
hanno valor medio nullo, ovvero le forme d’onda centrate sullo zero con
l’area sopra le x uguale all’area sotto le x). Tali tensioni si dicono 1.5 V
t
alternate e arriviamo finalmente a capire che ACV sta per V che creano
Questa è alternata e
una Corrente Alternata (cioè mediamente nulla, perché di tanto avanza
sinusoidale, ma aluna carica durante la fase +, di altrettanto torna indietro durante la fase -,
v(t)
ritrovandosi alla fine dove stava all’inizio).
+311 V ternato non implica
sinusoidale
Per vedere se è presente la tensione di rete, useremo ACV e portata 700 V 220V
(ma leggeremo 220V, che è la continua equivalente come potenza)
Vefficace
Per vedere se la batteria è carica, sceglieremo la sezione DCV (che sta per
Periodo t
V che creano Correnti Dirette) e la portata di 2V.
V
ON
OFF
PNP
POWER
Ω
2k
20k 200k 2M 20M
B
B
C
C
E
E
200M
200
NPN
E
E
hFE
20µ
µ
Cx
2µ
µ
200 m
200n
2
20n
20
20 msec
2n
Poiché la corrente si misura in Ampere, per una misura di corrente si
userà la sezione ACA o la sezione DCA (l’A evidenziato sta per Ampere).
-311 V
2m
Sceglieremo ACA per misurare una corrente prodotta dalla tensione
alternata di rete e DCA per una corrente prodotta da una batteria. I circuiti
20m
elettronici (come computer o TV) sono alimentati in continua anche se
sembrano alimentati dalla rete, perché la V sinusoidale (V~) va ad un
200m
Presa
circuito detto alimentatore che la trasforma in una V continua (V=).
20
Per misurare la corrente, però, bisogna cambiar di posto al puntale rosso.
Terra di rete
Per correnti fino a 200 mA lo collegheremo alla presa mA, Per correnti
V~
V=
Banana
maggiori, bisognerà usare l’ingresso 20A (ma essendo coscienti
Alimentatore
che se la corrente supera tale valore si può danneggiare
UNFUSED
(power supply)
irrimediabilmente lo strumento perché questo ingresso non è
MAX15sec
protetto da fusibile).
Presa
Per misurare la corrente che circola in un forno alimentato a
di rete
Computer (o Televisione)
220V che assorbe 2.2 kW di potenza metteremo il puntale rosso
nella presa 20A e sceglieremo la portata 20A della sezione ACA.
Infatti la I sarà di 10 A, perché la potenza P in W si ottiene facendo VI P = V*I [Watt] = [Volt][Ampere]
e se tale prodotto deve venire 2200 con V=220 la I dovrà essere di 10 A.
MAX
Quanta corrente passa in una lampada da 220 W di potenza alimentata a 220 V ? 1 A, perché VI = 220 e V = 220.
Che potenza dovrebbe avere la lampada per assorbire solo 200 mA? P=VI=220*200m=44000mW=44 Watt.
Capacità = 670 mAh
Nei circuiti elettronici, invece scorrono correnti piccole. Es.: che corrente assorbe senza telefonare un cellulare
può dare 670mA x 1h
alimentato da un accumulatore (batteria ricaricabile) con capacità = 670 mAh se si scarica in 67 h? I = 10 mA
oppure 67mA x 10h
Per misurare una R tornare sull’ingresso V/Ω
Ω, portare il selettore su Ω, e levare la tensione o la batteria!!
Per vedere se un filo è interrotto o se c’è un contatto è più comoda questa posizione (
) che suona se R=0 oppure 6.7mA x 100h
DCA
20A
DCV
200
1000
700
200
20
200m
20m 2
20
ACA
ACV
200mA MAX
FUSED
mA
1000VDC
700VAC
MAX
500V
MAX
COM
V/Ω
Ω
Risposte su “Tester”
(5’)
Cosa succede quando si pigia il tasto POWER sul multimetro? Succede che la batteria viene collegata al circuito
Per cosa sta la dicitura COM accanto ad una boccola di ingresso? Sta per terminale COMUNE alla misura di V o di I
Disegna su un grafico quotato la tensione di rete
Quanti periodi fa in 1 sec la tensione di rete?
1sec
1
1k
Fa
=
=
= 50 periodi al sec
Tin _ sec 20m 20
f
Come è chiamato il “numero di periodi al secondo” e
quale è la sua unità di misura?
Si chiama frequenza (f) e si misura in Hertz (Hz)
(per cui la tensione di rete ha f = 50Hz)
Che legame c’è tra f e T ?
+311 V
220V
Vefficace
Periodo
T=20msec
t (msec)
ON
OFF
-311 V
1
f =
T
Disegna su un grafico una tensione continua di 9V
v(t)
(Volt)
Ω
2k
t (msec)
Alimentatore
(power supply)
V=
220 V
Perché il voltmetro mi dà 220V come tensione di rete? Perché la tensione continua equivalente come potenza (cioè
che applicata ad una R fa dissipare la stessa potenza) alla tensione di rete sinusoidale è di 220V
Il termine tecnico per “tensione continua equivalente come potenza” è …
Per cosa sta la sigla DCV ? Per tensione (V) che produce una
corrente (C) diretta (D) nel senso di continua
Per cosa sta la sigla ACV ? Per tensione (V) che produce una
corrente (C) alternata (A) ovvero a valore medio nullo perché
le tensioni positive e quelle negative si equivalgono
Per cosa sta la sigla ACA ? Per corrente (A=Ampere) di tipo
corrente (C) alternata (A)
NOTA: una tensione variabile non è necessariamente alternata,
ma visto che il suo valor medio non contiene informazioni in
genere viene tolto prima che entri nel circuito, dopo di che
l’abbiamo resa alternata
2µ
µ
DCV
20n
20
2n
200
2m
1000
700
200
20
200m
DCA
20m 2
20
ACA
UNFUSED
MAX15sec
http://en.wikipedia.org/wiki/Alternating_current
In quanto tempo si scarica una batteria (o un accumulatore) con capacità di 1500 mAh?
E
hFE
2
20
È una batteria ricaricabile
C
200n
200m
P = VI =
C
200 m
20m
Usando la legge di Ohm, la formula P=VI può essere scritta in altri due modi, che sono:
B
20µ
µ
Tensione efficace
Su una resistenza sottoposta alla tensione di 10V scorrono 100mA. Quale potenza dissipa in calore?
P = V * I = 10 * 100m = 1000 mW = 1Watt
B
E
200M
200
Cx
V~
20k 200k 2M 20M
NPN
E
E
9V
Come si legge V~ Tensione sinusoidale
Come si legge V= Tensione continua
Se misuro la tensione di rete che valore mi dà il voltmetro?
PNP
POWER
Che tensione entra e che tensione esce in un
alimentatore che dà 9V in uscita?
Cosa è un accumulatore?
V
v(t) (Volt)
ACV
200mA MAX
FUSED
1000VDC
700VAC
MAX
500V
MAX
V2
= RI 2
R
20A MAX
mA
COM
In 1 h se eroga 1500 mA, in 10 h se eroga 150 mA, in 100 h se eroga 15 mA, etc etc
V/Ω
Ω