Ricerca sull'elettronica

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Elettronica 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 puт 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 vengono elaborate e trasmesse per mezzo di circuiti elettronici, che operano sfruttando le proprietа 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 (come la demodulazione, cioи la ricostruzione di un segnale audio da un'onda radiotrasmessa), la modulazione (trasferimento di un segnale audio su un'onda radio) e l'insieme di operazioni logiche che avvengono in un computer.
Cenni storici
L'introduzione dei tubi 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 varietа 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 affidabilitа. 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'unitа 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 attivi e passivi: tra i primi sono compresi resistori, condensatori e induttori; i secondi includono batterie, generatori, tubi a vuoto e transistor.
Tubi a vuoto
Un tubo a vuoto consiste in un involucro di vetro, in cui и stato ottenuto il vuoto d'aria, contenente diversi elettrodi metallici. Il diodo и il piщ 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 vengono respinti dall'anodo durante il semiciclo negativo: il flusso di corrente nel tubo avviene perciт solo durante metа 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 perciт la conversione della corrente in corrente continua (DC).
И possibile controllare il flusso di elettroni nel diodo 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, puт 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 и inserito.
Transistor

I transistor sono realizzati con semiconduttori. Questi materiali, ad esempio il germanio o il silicio, vengono "drogati", ovvero addizionati di quantitа infinitesime di altri elementi, in modo da creare un eccesso o una carenza di elettroni liberi. Nel primo caso il semiconduttore drogato и 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 un diodo a semiconduttore. Se il lato p della giunzione viene collegato al polo positivo di una batteria, e il suo lato n a quello negativo, gli elettroni, respinti dalla polaritа negativa, possono migrare senza incontrare ostacoli verso la zona p, povera di elettroni liberi: si ottiene dunque conduzione di corrente. Invertendo la polaritа, solo i pochissimi elettroni liberi presenti nella zona p possono mettersi in movimento, e la corrente che attraversa la giunzione и 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 viene collegata a una batteria in maniera da consentire il passaggio di corrente (polarizzazione diretta), mentre l'altra viene connessa a una seconda batteria con polaritа tale da impedire il passaggio di corrente (polarizzazione inversa). Quando la corrente nella giunzione polarizzata direttamente и modificata per l'aggiunta di un segnale, la corrente nell'altra giunzione varia in proporzione. Questo principio puт 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 viene aggiunto un campo elettrico. L'amplificazione della corrente и ottenuta in modo simile al controllo della griglia in un tubo a vuoto. I FET operano con piщ efficienza dei transistor bipolari, poichй un segnale molto intenso puт essere controllato con una piccolissima spesa di energia.
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 cosм complessi circuiti con funzioni specifiche, detti monolitici perchи 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 puт essere prodotto ad un costo molto minore.
Resistori
Se una batteria и collegata ai due estremi di un conduttore, in quest'ultimo scorrerа una corrente. L'intensitа della corrente dipende dalla tensione fornita dalla batteria, dalle dimensioni del conduttore e dalla conducibilitа del materiale. Per controllare la corrente nei circuiti elettronici si 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 и pari alla tensione fornita dalla batteria. Se si rimuove la batteria, le armature trattengono la carica accumulata e la tensione associata, finchи la carica si allontana dalle piastre attraverso il materiale isolante. Variazioni rapide di tensione, come nei segnali audio o radio, producono perciт 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. Questo effetto puт essere usato, ad esempio, per separare un segnale audio o radio da una corrente continua, quando si realizza un collegamento fra l'uscita di uno stadio amplificatore e l'ingresso del successivo.
Induttori
Un induttore и costituito da un filo conduttore avvolto in forma di bobina. Quando la bobina и percorsa da corrente, si produce un campo magnetico che tende a opporsi a rapide variazioni della corrente stessa (vedi Induzione). Un induttore puт essere usato per distinguere segnali rapidamente variabili da quelli a variazione lenta: in particolare, quando и percorso da una corrente continua l'induttore si comporta come un corto circuito. Se un induttore и 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 dalle rispettive induttanza e capacitа. Questo principio и applicato nei radioricevitori, nei quali si seleziona una determinata frequenza modificando, mediante un condensatore variabile, la frequenza di risonanza del circuito.
Sensori e trasduttori
Misure di grandezze meccaniche, termiche, ottiche e chimiche vengono realizzate con dispositivi detti sensori e trasduttori. Il sensore risponde alle variazioni della grandezza da misurare (ad esempio posizione, temperatura, concentrazione di una sostanza); il trasduttore converte questa reazione in un segnale elettrico, che puт essere inviato a strumenti per la lettura, la registrazione, o il controllo della grandezza rilevata. Sensori e trasduttori possono operare in posizioni lontane dall'osservatore e in ambienti non adatti alla presenza umana o praticamente irraggiungibili.
Alcuni dispositivi possono funzionare contemporaneamente sia da sensori sia da trasduttori. Una termocoppia (vedi Termoelettricitа), costituita da due giunzioni tra fili di metalli diversi, puт essere usata per eseguire misure di temperatura: una differenza di temperatura tra le due giunzioni si legge infatti come una differenza di potenziale fra le stesse. Un termistore, invece, и uno speciale resistore, la cui resistenza varia con la temperatura. Condensatori appositamente progettati sono invece utilizzati per rilevare distanze e le fotocellule (o cellule fotoelettriche) sono impiegate per rilevare la luce. Altri dispositivi sono usati per misurare velocitа, accelerazione, o flusso dei fluidi. Nella maggior parte dei casi, il segnale prodotto и debole e deve essere amplificato da un circuito elettronico.
Alimentatori
La maggior parte dei circuiti elettronici necessita di essere alimentata da tensione continua. Questa и 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 и 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 и seguito da un raddrizzatore, normalmente a diodi. In passato, per i raddrizzatori di piccola potenza usati negli apparecchi elettronici venivano impiegati diodi a vuoto e una gran varietа di materiali, quali cristalli di germanio o solfuro di cadmio. Oggi si usano quasi esclusivamente diodi al silicio, che offrono grande affidabilitа a basso costo.
Fluttuazioni e ondulazioni sovrapposte alla tensione DC raddrizzata (rilevabili come un rumore di fondo negli impianti audio) possono essere filtrate (eliminate) da un condensatore; maggiore и la capacitа del condensatore, minore и l'ondulazione residua della tensione. Un controllo piщ 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 piщ semplice regolatore impiega un diodo Zener, che consiste in una giunzione p-n appositamente realizzata e polarizzata inversamente. Fino a un determinato valore della tensione inversa, il diodo Zener non conduce; quanto la tensione supera il valore stabilito, il diodo diventa fortemente conduttore, impedendo alla tensione di aumentare ulteriormente. Regolatori di tensione piщ sofisticati vengono 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 perciт il segnale in uscita и proporzionale a quello in ingresso. Un amplificatore non lineare, invece, puт 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 и richiesto un taglio dell'ampiezza dei segnali. Malgrado il ruolo fondamentale giocato in passato dai tubi a vuoto, oggi и 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 (1 kHz = 1000 cicli/secondo). Essi amplificano il segnale elettrico che viene 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 piщ stadi (multistadio) e accoppiati in continua.
Amplificatori video
Gli amplificatori video operano principalmente con segnali nello spettro di frequenze fino a 6 MHz (1 MHz = 1 milione di cicli/secondo). Il segnale trattato dall'amplificatore si traduce nell'immagine presentata da uno schermo televisivo; l'ampiezza del segnale controlla la luminositа 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 (vedi Videoregistrazione).
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 (1 GHz = 1 miliardo di cicli/secondo) e possono estendersi fino alle frequenze caratteristiche delle microonde.
Oscillatori
Gli oscillatori consistono generalmente di un amplificatore e di qualche elemento di retroazione, che riporta in ingresso una parte del segnale prelevato in uscita. Contengono inoltre un circuito induttivo-capacitivo o un cristallo vibrante, che servono a determinare la frequenza dell'oscillatore: generalmente i cristalli offrono una piщ alta stabilitа e precisione. Gli oscillatori sono impiegati per produrre segnali a frequenze audio o radio, per una grande varietа 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.
La logica digitale и un processo per scegliere tra due decisioni possibili ("vero" o "falso"), basato sulle regole dell'algebra di Boole. Il valore logico "vero" puт essere rappresentato col simbolo 1 e il "falso" con lo 0: in un circuito logico a ciascuno dei due valori corrisponde un livello di tensione fissato. I circuiti logici sono usati per prendere decisioni vero-falso in base a segnali multipli di vero-falso presenti in ingresso. I segnali possono essere generati da deviatori meccanici o da trasduttori a stato solido: una volta ricevuti, sono dapprima opportunamente trattati, per eliminare componenti elettriche indesiderate (comunemente chiamate rumore), e poi elaborati dal circuito logico.
Le varie famiglie di dispositivi logici, di norma circuiti integrati, realizzano una gran varietа di funzioni logiche. Le piщ elementari (funzioni OR, AND, NOT e semplici combinazioni di queste come la NOR, cioи OR seguita da NOT) sono svolte da dispositivi detti "porte". Una famiglia logica assai diffusa и la TTL (Transistor-Transistor Logic). Un'altra и la CMOS (Complementary Metal-Oxyde-Semiconductor), basata su transistor a effetto di campo, che realizza le stesse funzioni logiche, ma opera con livelli di potenza minori e a velocitа piщ bassa. Esistono altre famiglie logiche meno diffuse: alcune obsolete, come la RTL (Resistor-Transistor Logic), altre specializzate, come la ECL (Emitter Coupled Logic), usata per applicazioni ad altissime velocitа.
Il blocco elementare di un circuito logico и la "porta" logica digitale. Una porta AND ha due o piщ ingressi e una sola uscita, il cui valore и "vero" solo se tutti gli ingressi assumono il valore "vero". Anche una porta OR ha due o piщ ingressi e una sola uscita; quest'ultima assume valore "vero" se almeno uno dei suoi ingressi и "vero". Una porta NOT ha invece un solo ingresso e una sola uscita, e svolge l'operazione logica di negazione del valore in ingresso: si avrа dunque "vero" se l'ingresso и "falso" e viceversa. Circuiti logici piщ complessi sono realizzati combinando porte elementari. Tra questi i piщ semplici sono i flip-flop (elementi di memoria binari), i contatori, i comparatori, i sommatori.
Per svolgere completamente una funzione desiderata, si possono realizzare circuiti complessi, connettendo un gran numero di elementi logici elementari. In alcuni casi, viene utilizzato un microprocessore, opportunamente programmato, per svolgere le funzioni di commutazione e temporizzazione dei singoli elementi logici. Il vantaggio di questi dispositivi sta nel fatto che и possibile variare la loro funzione logica, modificando opportunamente il programma di istruzioni caricato. Uno svantaggio и invece il modo sequenziale di funzionamento del microprocessore, che rende questi dispositivi troppo lenti per determinate applicazioni: in questi casi bisogna ricorrere a circuiti logici progettati specificamente.
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 velocitа operative e affidabilitа migliori. 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 fedeltа 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: ne и un esempio la tomografia assiale computerizzata (TAC) (vedi Raggi X). 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 necessitа dell'argento fotosensibile.
Oggi la ricerca mira soprattutto ad accrescere la velocitа e la capacitа dei computer, concentrandosi sullo sviluppo della tecnologia dei circuiti integrati e dei componenti di commutazione. 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 velocitа, che, al posto dei tradizionali semiconduttori, utilizzano circuiti superconduttori basati sulle giunzioni Josephson (vedi Effetto Josephson) e operanti a temperature prossime allo zero assoluto.
Diodo Componente di un circuito elettrico che permette il passaggio di corrente (vedi Elettricitа) in una sola direzione. Il diodo a vuoto, realizzato con la tecnologia dei tubi a vuoto, и costituito da una coppia di elettrodi metallici (catodo e anodo), racchiusi sotto vuoto in un'ampolla di vetro sigillata. Il catodo, riscaldato dal passaggio di una corrente (effetto joule), emette elettroni per effetto termoionico. Attratti dall'anodo, a cui и applicato un potenziale positivo, gli elettroni migrano verso di esso, chiudendo il circuito. Poichй il flusso di elettroni и possibile unicamente dal catodo all'anodo, il diodo a vuoto viene usato per il raddrizzamento delle correnti alternate.
Se nell'ampolla и presente un gas rarefatto (ad esempio elio o argo) il diodo si dice a gas: la corrente tra gli elettrodi и maggiore di quella che passa in un diodo a vuoto, perchй rafforzata dall'effetto di ionizzazione del gas.
I diodi d'impiego piщ comune nei circuiti elettronici attuali sono a semiconduttore. Il piщ semplice tra questi, il diodo a punta, risale ai primordi della radiofonia, quando il segnale radio veniva rivelato, in ricezione, per mezzo di un cristallo di germanio su cui poggiava la punta di un sottile filo metallico. Nei moderni diodi a punta, al germanio o al silicio, la lastrina di cristallo e il filo metallico (di tungsteno o di bronzo) sono montati all'interno di un tubicino di vetro e collegati ai due terminali che sporgono dalle estremitа del tubo. Le proprietа del diodo sono determinate dal contatto tra il filo e la lastrina; il senso diretto della corrente и quello dal filo alla lastrina.
I diodi a giunzione sfruttano le proprietа fisiche della superficie di separazione (giunzione) tra due zone di uno stesso cristallo semiconduttore, trattate (drogate) in modo diverso. Tali proprietа consentono il passaggio di una corrente elettrica di intensitа considerevole in una sola direzione; la corrente che circola in senso opposta non и nulla, ma и trascurabile. Rispetto ai diodi a vuoto, quelli a giunzione, anch'essi usati come raddrizzatori, sono piщ compatti, economici e resistenti. Il diodo zener и un particolare tipo di diodo a giunzione al silicio sfruttato come stabilizzatore di tensione. Il fotodiodo, un altro modello di diodo a giunzione, produce spontaneamente una tensione fra i terminali quando la giunzione viene illuminata, proprietа che lo rende adatto all'impiego nelle celle solari. Nei diodi a emissione di luce (LED), infine, l'applicazione di piccole tensioni produce l'emissione di una radiazione luminosa. I LED sono usati come indicatori luminosi, nei visualizzatori numerici delle calcolatrici e degli orologi digitali, nei telecomandi e nei sistemi a fibre ottiche. Vedi anche Effetto fotoelettrico.