Elettronica

Campo dell'ingegneria e della fisica applicata che si occupa del progetto e delle possibili applicazioni di dispositivi per la trasmissione, la ricezione e la memorizzazione di informazioni, il cui funzionamento dipende dal flusso di elettroni. L'informazione può essere vocale o musicale (segnali audio), grafica, numerica o di altro tipo. I circuiti elettronici forniscono diverse funzioni per l'elaborazione di informazione: tra queste, l'amplificazione di segnali deboli fino a un livello utilizzabile, la generazione di onde radio, l'estrazione di informazioni (come la demodulazione, cioè 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.

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 di segnali radio e audio deboli e si riuscì a sovrapporre onde radio a segnali prodotti dalla musica o dalla voce. Lo sviluppo di una gran varietà di tubi progettati per funzioni specializzate permise il rapido progresso della tecnologia delle radiocomunicazioni e la messa a punto dei primi computer.

Il transistor, inventato nel 1948, ha oggi quasi completamente sostituito i tubi a vuoto nella maggior parte delle applicazioni. Costituito da una combinazione di materiali semiconduttori cui sono connessi i terminali 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 affidabilità. Successivi progressi della tecnologia dei semiconduttori portarono allo sviluppo dei circuiti integrati. Questi circuiti possono contenere centinaia di migliaia di transistor realizzati su un piccolo frammento di semiconduttore e permettono la realizzazione di circuiti elettronici complessi, come microcomputer, apparecchi radio e video e satelliti per telecomunicazioni.

Un tubo a vuoto consiste in un involucro di vetro che contiene, sotto vuoto, diversi elettrodi metallici. Il più semplice tubo a due elettrodi, il diodo, contiene un catodo e un anodo; quest'ultimo è un cilindro metallico che circonda l'anodo ed è collegato al terminale positivo di un alimentatore. Il catodo, che consiste di un piccolo tubo metallico riscaldato da un filamento, libera elettroni che migrano verso l'anodo. Se si applica all'elettrodo positivo una tensione alternata, il flusso di elettroni avviene solo nel semiperiodo a tensione positiva; infatti, durante il semiciclo a tensione negativa l'anodo respinge gli elettroni e nel tubo non circola corrente. Un diodo collegato in modo da permettere il passaggio dei soli semicicli positivi di una corrente alternata (AC, dall'inglese Alternated Current) funziona quindi da raddrizzatore e permette la conversione di corrente alternata in corrente continua (DC, dall'inglese Direct Current).

I condensatori sono costituiti da due fogli metallici (armature), in genere piani, separati da uno strato di materiale isolante. Se si collega una batteria tra le armature, si realizza un semplice circuito elettrico percorso da una corrente di breve durata e la carica spostata da un foglio si accumula sull'altro. Se si rimuove la batteria, le armature trattengono la carica accumulata e chiaramente anche la tensione a essa associata. Variando rapidamente la tensione tra le armature, come richiederebbero segnali audio o radio, si hanno rapidi flussi di carica dall'una all'altra; il condensatore si comporta perciò come un conduttore per le tensioni variabili. Questo effetto può essere usato, ad esempio, per separare un segnale audio o radio da una corrente continua, nel collegamento tra l'uscita di uno stadio amplificatore e l'ingresso del successivo.

Gli induttori sono realizzati con un filo conduttore avvolto in una bobina. Quando quest'ultima è percorsa da corrente, si produce un campo magnetico che tende a opporsi a rapide variazioni della corrente stessa (vedi Induzione). Un induttore può essere usato per distinguere segnali rapidamente variabili da quelli a variazione lenta. Quando un induttore è posto in serie con un condensatore, la tensione ai suoi capi raggiunge il valore massimo per una particolare frequenza, che dipende dai valori della capacità e dell'induttanza. Questo principio è applicato nei radioricevitori, nei quali una specifica frequenza è selezionata mediante un condensatore variabile.

Misure di grandezze meccaniche, termiche, ottiche e chimiche vengono realizzate con dispositivi detti sensori e trasduttori. Il sensore reagisce alle variazioni della grandezza da misurare (ad esempio posizione, temperatura, concentrazione di una sostanza); il trasduttore converte questa reazione in un segnale elettrico, che può 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 inadatti a esseri umani o irraggiungibili. Alcuni dispositivi operano contemporaneamente da sensori e da trasduttori. Una termocoppia, che è costituita da due giunzioni tra fili di metalli diversi, può essere usata per compiere misurazioni di temperatura; in essa si genera infatti una piccola tensione che dipende dalla differenza di temperatura tra le due giunzioni. 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 velocità, accelerazione, o flusso dei fluidi. Nella maggior parte dei casi, il segnale prodotto è debole e deve essere amplificato da un circuito elettronico.

La maggior parte dei circuiti elettronici necessita di tensioni continue per funzionare. Queste tensioni possono essere fornite da batterie o da alimentatori che convertono la tensione alternata degli impianti di distribuzione in tensioni continue stabilizzate. Il primo elemento di un alimentatore è il trasformatore, che riduce o eleva 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 è seguito da un raddrizzatore, normalmente a diodi. Per i raddrizzatori di piccola potenza usati negli apparecchi elettronici, in passato furono impiegati diodi a vuoto e una gran varietà di materiali come cristalli di germanio o solfuro di cadmio. Oggi si usano quasi esclusivamente diodi al silicio, che offrono grande affidabilità, pur essendo economici.

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 popolari per applicazioni radio sono gli amplificatori operazionali, realizzati come circuiti integrati, che consistono in amplificatori lineari multistadio accoppiati in continua.

Gli oscillatori consistono generalmente in un amplificatore con un elemento di retroazione che riporta all'ingresso una parte del segnale di uscita. È presente anche un elemento che determina la frequenza, che può essere un circuito induttivo-capacitivo oppure un cristallo vibrante. Gli oscillatori controllati da un cristallo offrono la più alta stabilità e precisione. Gli oscillatori sono impiegati per produrre segnali a frequenze audio o radio per una grande varietà 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.

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 sono comprese la commutazione telefonica, le trasmissioni via satellite e i computer. La logica digitale è un processo per scegliere tra due decisioni possibili ("vero" o "falso"), basato sulle regole dell'algebra di Boole. Il valore logico "vero" può essere rappresentato col simbolo 1 e il "falso" con lo 0 e, nei circuiti logici, entrambi i valori sono rappresentati da due livelli di tensione. I circuiti logici sono usati per prendere decisioni vero-falso in base a condizioni multiple dello stesso tipo presenti agli ingressi. I segnali possono essere generati da deviatori meccanici o da trasduttori a stato solido. Una volta che il segnale è stato ricevuto e condizionato (per eliminare componenti elettriche indesiderate, dette " rumore"), esso viene elaborato dai circuiti logici.

Per svolgere completamente una funzione desiderata, possono essere connessi in un circuito un gran numero di elementi logici. In alcuni casi, si usano microprocessori per svolgere le funzioni di commutazione e temporizzazione dei singoli elementi logici. Un vantaggio di questi dispositivi risiede nel fatto che essi rendono possibile lo svolgimento di differenti funzioni logiche in base a un programma di istruzioni immagazzinato. Uno svantaggio è invece il loro modo di operare sequenzialmente, che li rende troppo lenti per alcune applicazioni. In questi casi, si usano circuiti logici specificamente progettati.

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 dispostivi sia i costi di lavorazione dei sistemi, garantendo allo stesso tempo velocità operative e affidabilità maggiori. Orologi digitali, computer tascabili e giochi elettronici sono basati su microprocessori. Altri recenti sviluppi riguardano la digitalizzazione dei segnali audio, cioè la rappresentazione degli stessi mediante sequenze di codici che rappresentano una successione di valori istantanei del segnale prelevati con una cadenza temporale opportuna. La musica registrata in forma digitale, come nei compact disc, presenta una fedeltà non raggiungibile con i metodi di registrazione diretta. L'elettronica medica ha compiuto notevoli progressi, che hanno portato allo sviluppo di tecniche diagnostiche sofisticate, come la tomografia assiale computerizzata (TAC). Sono stati anche messi a punto dispositivi per il controllo dei vasi sanguigni o del sistema respiratorio. La televisione ad altissima definizione promette di sostituire molti processi fotografici, eliminando la necessità dell'argento fotosensibile. L'odierna ricerca per accrescere la velocità e la capacità dei computer si concentra soprattutto sui progressi della tecnologia dei circuiti integrati e sullo sviluppo di componenti di commutazione sempre più veloci. Sono stati prodotti integrati a grandissima scala (VLSI) che contengono alcune centinaia di migliaia di componenti in un solo chip. Si stanno perfezionando computer ad altissima velocità, nei quali i semiconduttori possono essere sostituiti da circuiti superconduttori basati sulle giunzioni Josephson e operanti a temperature prossime allo zero assoluto.