Elettronica di Base

Basi: Tensione/Corrente/Potenza

Riassunto delle cose dette nella non-lezione 1 (7 febbraio 2013).

Un flusso di elettroni crea una corrente elettrica. L'intensita' di corrente (che si misura in Ampere, simbolo A) misura quanti elettroni al secondo passano (e' proporzionale al numero di elettroni al secondo).

E' intuitivo associare una corrente elettrica al fluido che scorre all'interno di tubi, e.g. acqua.

I materiali si comportano in modo diverso al passaggio della corrente. Alcuni impediscono il passaggio (isolanti), in altri fluisce molto facilmente (conduttori), in altri ancora passa ma con difficolta' (cattivi conduttori).

• Esempi di isolanti: vetro, ceramica
• Esempi di buoni conduttori: i metalli
• Esempio di cattivi conduttori: la grafite

I cattivi conduttori sono utili in Elettronica, consentono di costruire componenti che creano un "impedimento calcolato" al passaggio di una corrente: le resistenze.

Per costruire una resistenza si crea un "filo" di grafite in modo che per lunghezza e sezione crei la "difficolta'" voluta al passaggio della corrente. Questa "difficolta'" si misura in Ohm (il simbolo e' l'omega greca maiuscola, Ω). La corrente fa piu' "10 volte piu' fatica" a passare in una resistenza da 10000Ω di quanta ne faccia in una da 1000Ω.

Le resistenze si trovano in commercio, costano O(1 centesimo). Hanno il valore indicato con strisce colorate. (qui occorre aggiungere un link al codice dei colori e una riflessione sui valori standard e sulla precisione)

Il terzo parametro importantissimo per iniziare con l'elettronica e' la Tensione (o Differenza di Potenziale). Il concetto di Differenza di Potenziale si capisce (almeno intuitivamente) pensando alla corrente come un liquido. Se avete un deposito di acqua a 5m di altezza, quell'acqua ha un certo potenziale gravitazionale, potete far funzionare un mulino che ha necessita' di un salto di 5 metri. Se quel deposito si trova a 10m potete far funzionare con la stessa acqua due mulini uno "in cascata" all'altro, o, come direbbe un elettronico, in serie.

Il concetto e' proprio quello: a quale "altezza" elettrica vengono immessi gli elettroni nel circuito e a quale altezza vengono recuperati? la differenza e' la Tensione o Differenza di Potenziale. Si misura in Volt (simbolo V)

La prima legge di Ohm:

ΔV = R I

indica la relazione fra differenza di potenziale (ΔV) resistenza (R) e Intensita' di Corrente (I).

Facciamo alcuni esempi.

• Se colleghiamo i poli di una pila con isolante (resistenza infinita o quasi), non passa alcuna corrente (I=0).
• Se attacchiamo ai poli di una pila una resistenza di alto valore passa una debole corrente
• se invece usiamo una resistenza di basso valore passa una forte corrente.
• infine (NB NON PROVATE QUESTO ESPERIMENTO! E' TEORICO!) se collegate i poli con un filo conduttore la resistenza e' quasi nulla e la corrente diventa quasi infinita! E' il corto circuito, il modo migliore di danneggiare circuiti, in quasto caso la pila si puo' rompere, talvolta scoppiare.

La legge di Ohm appare naturale. Se la corrente fa molta "fatica" a passare per il circuito ne passa poca, cioe' passano meno elettroni al secondo. Se invece il circuito oppone poche difficolta' al passaggio della corrente, allora passano piu' elettroni al secondo, cioe' maggior corrente, un numero piu' alto di Ampere.

La seconda legge di Ohm indica come la resistenza sia legata alla forma del conduttore:

La resistenza e' direttamente proporzionale alla lunghezza e inversamente proporzionale alla sezione del conduttore

Pensate a questi elettroni che devono passare per un filo dove e' faticoso avanzare. Io mi immagino gli elettroni come palline in un tubo e la resistenza come qualcosa di viscoso (miele?) nel tubo. Poniamo per semplicita' che il filo sia cilindrico. Se la lunghezza del filo e' doppia si fa doppia fatica (e' come dover passare due tubi uno di seguito all'altro). Se il tubo e' piu' ampio possono passare piu' palline contemporaneamente quindi la fatica media per pallina e' minore, il numero di palline che contemporaneamente entra nel tubo e' proporzionale all'area della sezione.

La seconda legge di Ohm ci aiuta a capire anche la regola per calcolare il valore della resistenza complessiva quando si mettono resistenze in serie e in parallelo. (manca un disegno per resistenze in serie e in parallelo)

Per le resistenze in serie vale la regola della doppia fatica, prima i nostri poveri elettroni devono attraversare la prima resistenza, poi la seconda. (e se sono piu' di due, la terza, la quarta e cosi' via).

Quindi per le resistenze in serie:

R_tot = R₁ + R₂ + R₃ + ....

Per le resistenze di parallelo il ragionamento e' un po' piu' complesso. Tendenzialmente vale la regola della sezione, e' come affiancare piu' tubi, gli elettroni possono entrare in uno dei tubi e alla fine la corrente sara' quella che fuoriesce da tutti. Sicuramente la resistenza risultante dall'uso di piu' resistenze in parallelo e' minore. Se si mettono in parallelo due resistenze dello stesso valore, si ottiene una resistenza pari alla meta' del valore del valore usato. (due resistenze da 1000Ω in parallelo sono equivalenti a una resistenza di 500Ω).

La regola generale e':

1/R_tot = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + ....

Per due sole resistenze si puo' scrivere:

R_tot = (R₁ * R₂) / (R₁ + R₂)

L'altro concetto chiave introdotto nella non-lezione del 7 febbraio e' la Potenza. Potenza=capacita' di fare qualcosa. (per i puristi Fisici, variazione del Lavoro per unita' di tempo). Si misura in Watt (W). E' una misura comune. Se pochi hanno chiesto in un negozio oggetti specificandoli in Ohm, Ampere o Volt, e' comune acquistare una lampadina da 50 Watt. Questa lampadina "usa", "ha bisogno" di 50 watt per funzionare: "fa" qualcosa per 50W. Cosa fa? Si spera che faccia luce per la maggior parte di quei 50W, ma spesso ne usa una parte, talvolta grande, in calore.

Come e' legata la potenza alle grandezze che abbiamo visto con la prima legge di ohm? La formula elegante e':

P = ΔV I

In alternativa usando la legge di Ohm per sostituire ΔV:

P = R I²

Le resistenze che abbiamo visto prima, i componenti con le strisce colorate, dissipano tutta la potenza in calore. Normalmente la potenza e' di una piccola frazione di Watt e quindi non ci si accorge nemmeno dell'effetto termico (non si riscaldano). Fate attenzione a calcolare la potenza dissipata, se e' troppa la resistenza si brucia. Le resistenze normalmente usate nei circuiti dissipano al massimo 0.25W (un quarto di watt). Quindi se 12v passano per una resistenza di 1000Ω, l'intensita' di corrente sara' 0.012A e la potenza 0.144W e quindi la resistenza campa, se invece usiamo una resistenza da 100Ω, la corrente sara' 0.12A e la potenza 1.44W, la resistenza crepa.

Riconosciamo i componenti

Immagini e Simboli dei Componenti

Il Circuito Stampato

PCB (Printed Circuit Board) PWB (Printed Wiring Board) CS (Circuito Stampato)

Come realizzarlo ? quali strumenti , materiali , accorgimenti occorrono per realizzare il CS su cui andremo a posizionare i nostri componenti elettronici?

Il circuito stampato è senza dubbio la parte del nostro progetto che richiederà maggior impegno e ingegno e la strumentazione in nostro possesso sarà determinante per la scelta del metodo costruttivo permettendoci di conseguire risultati ben precisi in tempi ragionevoli. Questi sono a grandi linee i metodi che si possono adottare :

1)Totalmente manuale:Il disegno delle piste è fatto a mano direttamente su basetta ramata.

2)Trasferimento di stampa :Si dovrà trasferire la stampa dalla carta alla basetta ramata .

3)Procedimento di fotoincisione :Esposizione a raggi UV di basetta di rame presensiblizzata.

4)Procedimento mediante fresatura: Le piste verranno isolate tra loro mediante asportazione meccanica del rame in eccesso.

5)Laser :Come il procedimento 3

6)Stampa 3D :Come per il metodo 2 ma direttamente su basetta ramata.

7)La prototipazione online (non è un metodo ma una scelta che implica il rispetto di standard di progettazione)

1)Metodo Manuale

Di cosa abbiamo bisogno.

• Pennarello indelebile o specifico per PCB
• Carta millimetrata
• Basetta ramata a singola o doppia faccia
• Percloruro ferrico (si compra nei negozi di componenti elettronici)
• Punteruolo (o bulino) martello
• Trapano con punta da 0,8 mm - 1,0 mm
• Vaschetta in plastica e guanti in lattice

Eseguire il disegno su carta millimetrata delle piste del centro dei fori e dei componenti basandosi sullo schema . (NB i componenti verranno collocati sul lato opposto alle piste di rame quindi il disegno deve essere specchiato.) Dopo aver fermato con nastro adesivo il foglio di carta sulla basetta incidere con un punteruolo il centro dei fori. Procedere con la foratura ,se servono anche fori di fissaggio occorre prevederli e eseguirli punta adeguata. carteggiare le bave prodotte dalla foratura Sgrassare con trielina o acetone la basetta ramata ed evitare di toccarla con le dita. Disegnare le piste di collegamento dei componenti con il pennarello direttamente sul rame basandosi sul disegno prodotto precedentemente. Per i circuiti a doppia faccia procedere allo stesso facendo attenzione ad individuare gli esatti riferimenti di posizione. Passare un filo da cucire in un foro qualsiasi che servirà per immergerlo nel percloruro ferrico senza toccarlo con le dita. L'immersione della basetta deve essere totale nel liquido il quale in pochi minuti produrrà la corrosione del rame esposto . Durante quest'ultima fase è consigliato agitare il liquido mediante il movimento della vaschetta o della basetta stessa. Al termine lavare la basetta con acqua corrente. Non buttate il percloruro ferrico rimasto , servirà ancora per tante altre basette.

Vantaggi:Metodo economico , facile ,veloce se il circuito è semplice e poco miniaturizzato. Svantaggi:Non adatto per circuiti complessi e miniaturizzati soprattutto se occorre produrre più pezzi.

Tutti i metodi seguenti necessitano dell'uso di software (si spera Opensource) per la progettazione o la stampa della grafica necessaria a riprodurre fedelmente il circuito stampato. Alcuni software specifici: kicad.org ........(chi ne conosce altri?)

2)Trasferimento di stampa

Le fasi sono le stesse del metodo 1) ma è possibile evitare di disegnare con pennarello avvalendosi di una riproduzione stampata con stampante laser o fotocopiatrice (no stampe inkjet) in scala 1:1 Esistono anche carte specifiche per questo uso , alcuni usano anche la carta da forno. la stampa andrà posizionata sulla basetta e servendosi di un ferro da stiro occorrerà scaldare premendo molto bene le parti sovrapposte in modo che il toner presente sulla carta si incolli termicamente al rame . Una volta raffreddato è possibile staccare la carta . Ritoccare con pennarello le parti piccole che non si sono traferite. Procedere con l'immersione nel percloruro ferrico come spiegato nel metodo 1. A differenza del metodo precedente la punzonatura e la foratura sono da fare alla fine di tutto il ciclo. Con questo metodo serve una estrema precisione di posizionamento nella realizzazione dei CS doppia faccia in quanto il nastro adesivo non può essere usato perchè si scioglierebbe con il calore e provocherebbe lo spostamento della carta con conseguente disallineamento delle parti.

Vantaggi:Di facile realizzazione ,discreta qualità e ripetitività in piccole produzioni di pezzi.

Svantaggi:La foratura rimane comunque manuale ,le prime volte la carta non si stacca e il toner non viene trasferito soprattutto se le piste sono sottili.

3)La fotoincisione

bromobrafo ricavato da vecchio scanner HP scanjet 4p

Con questo metodo è indispensabile procurarsi/costruirsi un bromografo oppure attrezzarsi con lampade adeguate.

• le operazioni iniziali devono essere eseguite in camera oscura (solo poca luce rossa)
• la basetta di rame normale dovra essere verniciata con vernice spry fotosensibile , oppure ci si procurerà la basetta presensibilizzata a singola o doppia faccia.

Come per il procedimento 2 si dovrà riprodurre una stampa inkjet o laser su carta trasparente (acetato). Posizionarla con l'inchiostro rivolto verso la basetta e illuminare per un tempo prestabilito (da prove empiriche potrebbe essere circa 2 min) Questa esposizione ai raggi UV deteriora il film fotosensibile esposto alla luce, lasciando inalterato quello in ombra dell'inchiostro della stampa. La successiva fase è lo sviluppo e come tutte le fasi precedenti sempre in camera oscura occorre immergere per alcuni minuti in un bagno di soluzione caustica (7gr di soda caustica in un litro di acqua demineralizzata) finchè la parte di fotoresist diventa più scura e mostra chiaramente l'intero schema . Occorrerà lavarlo in acqua corrente servendosi di un pennellino morbido per facilitare la rimozione della vernice in eccesso che si staccherà lasciando il rame a vista pronto per essere corroso nel percloruro ferrico. La foratura manuale viene eseguita in ultima fase e per questa ci si può servire anche di una macchina foratrice CnC in questo modo si ha possibilità di produrre discrete quantità di pezzi . (le foto ripropongono i passaggi principali)

4)La fresatura CNC

Se il vostro laboratorio dispone di una piccola CnC allora potrete permettervi di creare svariati circuiti stampati completi di foratura non estremamente miniaturizzati ma riproducibili in modo automatico e senza l'uso di prodotti chimici. Questo sistema si basa totalmente sulla progettazione CAD e programmazione CAM del percorso che dovrà eseguire la macchina fresatrice durante l'esecuzione . Il buon risultato è determinato dalla precisione della macchina e dalla ponderata velocità di lavorazione. L'esempio è stato realizzato con QCad per la parte grafica e LinuxCnC per gestire la macchina CnC

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Saldare i componenti

Ho trovato alcuni video su youtube molto interessanti per chi, come me, deve imparare a saldare, se qualche esperto vede i video e vuole commentarli, potrebbe diventare un ottimo how-to per apprendere:

1) Introduzione all'uso del saldatore, dell'aspiratore e loro manutenzione
[1]

2) Recupero delle punte del saldatore [2]