Armando Caligiuri, elettroni in movimento
Benvenuti sul mio sito, novità e aggiornamenti dagli elettroni in movimento. Pagina dedicata ai componenti elettronici attivi
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                 Benvenuti nella mia pagina web dedicata ai componenti elettronici attivi


 
Cercherò in questa pagina di definire con parole semplici ed adatte ai neofiti l' immenso mondo che stà dietro alla semplice frase
"componenti attivi", non è un compito facile ma ci proverò. Naturalmente, come già detto sulle altre pagine, è impossibile condensare una materia vastissima in questo piccolo testo, ma se avete intenzione di approfondire o avete bisogno di una consulenza professionale potete mettervi in contatto con me tramite la pagina Contatti.

                                                            I componenti elettronici attivi
  

Mentre i  componenti passivi hanno avuto un' evoluzione solo dimensionale e qualitativa, al contrario i
componenti attivi hanno conosciuto nel tempo veri e propri terremoti nella loro evoluzione, con interi sistemi e concetti di produzione spariti, rimpiazzati da altri sistemi e concetti di produzione rivoluzionari, si è passati dai componenti termoionici (o a vuoto) ai sistemi a stato solido intorno al 1960, i quali hanno avviato la rivoluzione che ha permesso di realizzare tutto quello che vediamo adesso (smartphone, tv a cristalli liquidi, personal computer, tablet).
Andiamo adesso a conoscere i principali componenti attivi, essi sono i trasformatori, i tubi termoionici (dette anche valvole), i transistor e i circuiti integrati.

I
trasformatori si definiscono "macchine attive senza parti in movimento" formati da due bobine di fili di rame montati su un pacco di lamierini e separate da un nucleo (vedere immagini alla fine della trattazione) le bobine vengono chiamate una "primario" e l' altra "secondario" a seconda della direzione di funzionamento. I trasformatori permettono tramite la legge dell' induzione elettromagnetica
(legge di Faraday-Neumann-Lenz) di trasferire abbassandone o alzandone il valore, tensioni e correnti elettriche, essi assicurano anche la separazione fisica tra circuiti, visto che tra primario e secondario non vi è nessun contatto, e fungono anche da adattatori di impedenza negli apparati audio professionali. La dimensione di un trasformatore dipende dalla corrente e dalla tensione che deve gestire, i valori di tensione e corrente di lavoro di solito sono stampati direttamente sul trasformatore stesso.

                         
 
Trasformatori di bassa tensione con vari secondari (fili gialli)                                                                  Simbolo elettrico

                         
 
Trasformatore da palo per alta tensione trifase                                                                                             Principio di funzionamento (Wikipedia)

I
tubi termoionici o valvole elettroniche sono stati i primi componenti attivi a consentire l' amplificazione e l' elaborazione dei segnali elettronici, sono stati realizzati con essi TV, radio, trasmettitori, e persino computer (di dimensioni mastodontiche).
Sfruttano l' effetto termoionico, che consiste nell' emissione di elettroni nel vuoto, da parte di un elettrodo chiamato "catodo", a polarità negativa, realizzato con un materiale particolare, il quale è riscaldato da un filamento incandescente in tungsteno, gli elettroni emessi muovendosi nel vuoto non hanno nessun' ostacolo particolare e sono attirati e raccolti  da un ' altro elettrodo polarizzato positivamente chiamato anodo o placca, questo è il
diodo termoionico, un componente (disponibile anche a stato solido) che si fà attraversare dalla corrente in un solo senso (polarizzazione diretta) e non nell' altro (polarizzazione inversa).
Se adesso aggiungiamo un terzo elettrodo chiamato griglia tra anodo e catodo, e lo polarizziamo in modo leggermente negativo, saremo in grado di controllare e modulare il flusso degli elettroni che si muovono nel vuoto, in parole povere applicando un piccolo segnale alla griglia otterremo un segnale molto più ampio sull' anodo, abbiamo così realizzato un triodo, il dispositivo termoionico più semplice, ed anche il primo realizzato in grado di amplificare un segnale elettrico, gli elettrodi sono racchiusi in un' ampolla di vetro in cui è stato ricavato il vuoto. Se avete bisogno di approfondimenti potete andare alla sezione contatti.
Sono stati fabbricati tubi multigriglia per soddisfare esigenze particolari, tetrodi (due griglie), pentodi (tre griglie) e tubi aventi nell' ampolla non il vuoto ma un gas rarefatto.
Sebbene sostituiti in quasi tutte le applicazioni dai dispositivi a stato solido, essi continuano ad essere insostituibili in alcuni apparati, tipo negli amplificatori ad alta frequenza di altissima potenza, applicazioni hi-fi per il suono particolare e puro che riescono a produrre, anche nel forno a microonde che tutti abbiamo in casa vi è una valvola di alta potenza a produrre le emissioni a cortissimo periodo che cuociono i cibi. Ed il tubo a raggi catodici che fino a qualche anno fà permetteva di vedere delle splendide immagine sui TV CRT era una valvola con lo schermo a fare da anodo.

                                                
 
Tubi termoionici per applicazioni radio e hi-fi                                                                                                                             Simbolo elettrico del triodo a vuoto

                                                                                                                             


                                                          
 Principio di funzionamento del triodo (wikipedia)



Dispositivi a semiconduttore o a stato solido.

Sono particolari componenti elettronici attivi costruiti drogando (introducendo impurità) opportunamente un materiale semiconduttore (germanio, silicio o semiconduttori artificiali), i semiconduttori vengono drogati con impurità di tipo P a carica positiva (lacuna o mancanza di elettrone) o di tipo N a carica negativa (eccesso di elettroni), il contatto tra un semiconduttore a carica P con un' altro a carica N produce una giunzione di tipo
P-N, nella zona di contatto si crea una corrente detta di svuotamento (depletion) dovuta allo scambio di cariche nel tentativo di ripristinare la neutralità dei materiali, creando quindi una zona neutra in prossimità del contatto ed un esiguo strato isolante al contatto stesso. Da notare che la giunzione P-N sottoposta alla luce solare diretta è in grado di produrre nella zona di contatto una tensione elettrica di 0,6V, essa quindi diventa una cella solare ad effetto fotovoltaico, sistemando in modo opportuno tante giunzioni (serie e parallelo) si ottengono i pannelli fotovoltaici utilizzati attualmente negli impianti di produzione. Se avete bisogno di approfondimenti potete andare alla pagina contatti oppure potete andare a questo link.
Utilizzando le proprietà della giunzione P-N si possono ottenere tutti i componenti che sono alla base dell' elettronica moderna, tra cui i diodi a stato solido, TRANSISTOR, MOSFET , JFET, UJT, questi componenti si possono realizzare sia in forma discreta, cioè come singolo componente con determinate caratteristiche, oppure come circuito integrato, ovvero un cristallo di semiconduttore che drogato in modo opportuno, permette di ottenere un circuito completo di componenti passivi e attivi in pochissimo spazio e con grande risparmio di materiale e tempo, ma andiamo a conoscere più da vicino  i vari tipi di componenti a semiconduttore.

                                         
 
Illustrazione grafica giunzione P-N (Wikipedia)                                                                   Cella fotovoltaica ottenuta da opportuno collegamento di giunzioni P-N (wikipedia)

Il
diodo a semiconduttore utilizza una singola giunzione P-N, essa per le sue note proprietà, è in grado di farsi attraversare da corrente o meno a seconda di come gli applichiamo tensione. Esso presenta due collegamenti esterni, uno fà capo al semiconduttore drogato P (anodo),
l' altro a quello N (catodo), se applichiamo la tensione con il polo positivo all' anodo e quello negativo al catodo il diodo si farà attraversare dalla corrente (polarizzazione diretta), se invece invertiamo i poli la corrente non riuscirà ad attraversare il diodo (polarizzazione inversa), essi vengono utilizzati come raddrizzatori negli alimentatori, come interruttori, come rivelatori e come protezione (abbinati ad un fusibile) dalle inversioni di polarità dell' alimentazione.
Bisogna tenere presente che i diodi presentano una tensione di soglia di 0,6V per quelli al silicio e 0,2V per quelli al germanio, cioè se la tensione ai loro capi non supera questo valore essi si comportano come un interruttore aperto (non circola corrente), vengono comunque fabbricati diodi al silicio con soglia più bassa (diodo Schottky), diodi che vengono utilizzati come condensatori variabili (diodo varicap) variando la tensione ai loro capi e particolari diodi stabilizzatori di tensione chiamati diodi Zener.
Impossibile poi non menzionare i
L.E.D. (light emitter diode), particolari diodi che emettono luce dalla giunzione P-N, amplificata poi da una lente apposita, essi stanno rivoluzionando il settore dell' illuminotecnica grazie al bassissimo consumo di corrente e alla luce particolare che riescono a produrre, da semplici indicatori essi si sono evoluti con l' aumento della luce emessa e con  l' ottenimento della luce bianca, vengono attualmente fabbricate lampade di ogni tipo e colore, e forniscono anche la retroilluminazione per gli schermi LCD (edge led) dei tv di ultima generazione.

                      
 
Diodo reale, la fascia bianca è il catodo                                                                                                   Simbolo del diodo usato negli schemi elettrici

                                    

   LED di vari colori                                                                                                                                                 Schema interno e simbolo del diodo LED

Se avete bisogno di approfondimenti o di una consulenza professionale, potete andare alla pagina contatti.

Il
transistor bipolare o BJT è un componente formato da due giunzioni P-N (vedi figura sotto), esso può essere del tipo PNP o del tipo NPN, e presentra tre terminali chiamati, Base, Collettore, Emettitore (indicato nel simbolo elettrico da una freccia).
Venne scoperto nel 1946 nei laboratori della Bell telephone dai ricercatori Walter Brattain, John Bardeen e William Schockley, essi diedero il via alla moderna elettronica.
Il transistor è un componente attivo capace di amplificare i segnali ad esso applicati, come il triodo termoionico, ma con molti vantaggi, i principali sono quello di essere a stato solido quindi difficile da distruggere meccanicamente,  è di piccole dimensioni se paragonato ai tubi, funziona con basse tensioni ai capi ed è relativamente facile la sua integrazione, inoltre non richiede tensione di filamento.
Molto schematicamente, il suo funzionamento può essere definito così, "gli elettroni emessi dall' emettitore, vengono regolati dalla base e quindi raccolti dal collettore".
Vengono utilizzati come amplificatori, interruttori, oscillatori, regolatori (abbinati ad un diodo Zener) e tante altre applicazioni.
Con il progredire della tecnica dei componenti a stato solido, sono stati introdotti altri transistor ottimizzati per alcune applicazioni, tra cui il JFET (impedenza d' ingresso elevata), il MOSFET (interruttore con bassa resistenza del canale quando polarizzato direttamente) e l' UJT
o unigiunzione (oscillatore ad impulsi).
I transistor sono racchiusi in contenitori metallici o plastici a seconda della dissipazione di potenza richiesta e dell' eventuale applicazione di un dissipatore di calore.

                                         
  Transistor BJT NPN ottenuto da una barretta di semiconduttore                                                          Simbolo del transistor BJT NPN (PNP si rappresenta con freccia invertita)

                                                                                                                      
 
Transistor di potenza con contenitoreTO220
                                                           Transistor per piccoli segnali in contenitore TO92

                                                                                                                
 

 Transistor per piccoli segnali in contenitore TO18                                                                           Transistor di potenza metallico 2N3055 in contenitore TO3 (wikipedia)
 

Infine, i
circuiti integrati monolitici sono realizzati drogando le zone di una piastrina di semiconduttore in modo opportuno, nel dettaglio, introducendo impurità più o meno conduttive si realizzeranno isolanti o conduttori (o resistori del valore voluto), impurità  di tipo P o N realizzeranno transistor con le caratteristiche volute, facendo così si otterrà su una piccola piastrina di semiconduttore un circuito complesso, accessibile dall' esterno con dei terminali in modo da poter collegare all' esterno i componenti necessari al funzionamento ma non integrabili (induttanze, condensatori, resistori ed altro).
Esistono circuiti integrati analogici e digitali realizzanti funzioni molto complesse, è grazie a loro che si sono potuti miniaturizzare i circuiti elettronici, con risultati visibili da tutti, basti pensare ai tablet o agli smartphone, veri e propri miracoli della tecnologia elettronica.
Vengono prodotti anche circuiti integrati costruiti con componenti normali, privi di contenitore, poi racchiusi in contenitori plastici e realizzanti funzioni comunque semplici, questi tipi di componenti vengono chiamati "circuiti integrati ibridi". Ne sono un esempio molto diffuso gli ibridi amplificatori della serie STK.

Per conoscere le caratteristiche dei componenti attivi, dovete essere in possesso dei relativi datasheet.
I datasheet sono dei fogli informativi, rilasciati dal costruttore dove è possibile trovare tutte le informazioni riguardo ai parametri massimi e minimi di funzionamento dei componenti, e persino esempi di realizzazioni, un ottimo sito dove trovare datasheet di quasi tutti i componenti lo trovate a questo link.
Invece cliccando col mouse su questo collegamento potete visualizzare il datasheet di un noto componente sulla breccia da tanti anni,
lo stranoto amplificatore di bassa frequenza TDA2003, capace di produrre una decina di Watt, utilizzando pochi componenti esterni, troverete nel datasheet anche lo schema interno del componente, e gli esempi di costruzione.

                      
 
Integrato digitale Dual in line                                                                                                                   Integrati SMD dual in line

                      
 
Integrato regolatore di tensione 5V negativi                                                                                        Integrato digitale flatpack SMD

Naturalmente è impossibile condensare tutti questi concetti in poco spazio, la mia vuole essere solo una buona guida per chi si affaccia a questo fantastico mondo, è possibile comunque approfondire o richiedere una consulenza professionale contattandomi, per questo andate alla pagina contatti.
Questa pagina si arricchirà in futuro con progetti elettronici pronti da realizzare e che serviranno a mettere meglio a fuoco quanto detto finora.
Grazie di aver visitato il mio sito web e di aver seguito la mia guida, tornate a visitarlo.

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Armando Caligiuri, Electronic senior expert, electronic and I.T. maintainer, I.T. consultant.      e-mail: info@armandocaligiuri.it
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