ANALOGICO E DIGITALE

Transcript

1 ANALOGICO E DIGITALE I sistemi digitali vengono spesso presentati come sinonimi di perfezione, ma la realtà è un po diversa. Analogico viene da "analogo": il segnale analogico segue esattamente l'andamento della grandezza che rappresenta. Quindi può essere considerato inizialmente perfetto. Noi, con i nostri cinque sensi, interagiamo con l'ambiente circostante mediante segnali analogici. Nei segnali digitali tutto viene ridotto a una sequenza di "0" e "1" Ovviamente nei circuiti elettronici non sono presenti numeri, ma un segnale rettangolare che li rappresenta. Ad esempio l'assenza di tensione in un certo istante viene interpretato come "zero", mentre la presenza di una tensione pari a 5 volt come "uno". Ogni singolo valore "0" o "1" prende il nome di bit.

2 ANALOGICO E DIGITALE AUTORIGENERAZIONE Una delle ragioni che fanno preferire l'utilizzo dei segnali digitali rispetto a quelli analogici è l'autorigenerazione. Senza entrare in dettagli tecnici, se i segnali digitali contengono errori al di sotto di una certa soglia, si autocorreggono. In un segnale digitale solo parzialmente deformato, proprio la limitazione ai soli valori "0" e "1", rende i bit ancora riconoscibili. In pratica se un dispositivo digitale riceve un segnale deformato (disegnato in alto) lo interpreta come se fosse privo di errori (segnale disegnato in basso).

3 ANALOGICO E DIGITALE ESEMPIO: LA TELEVISIONE Ormai tutto il sistema televisivo italiano è passato al digitale terrestre (DVB-T). Nella vecchia TV analogica, man mano che il segnala si degradava, l'immagine peggiorava (da A a C). TV ANALOGICA Con segnale perfetto, sia in analogico che in digitale si ha un'immagine (A) di buona qualità (a volte quella digitale, se eccessivamente compressa, può essere peggiore).

4 ANALOGICO E DIGITALE ESEMPIO: LA TELEVISIONE Ormai tutto il sistema televisivo italiano è passato al digitale terrestre (DVB-T). Nella vecchia TV analogica, man mano che il segnala si degradava, l'immagine peggiorava (da A a C). TV DIGITALE Con un limitato degrado, come già scritto, il segnale digitale è in grado di autorigenerarsi. Pertanto l'immagine B è identica alla A. Se però il degrado è elevato, il digitale diventa totalmente inutilizzabile (quadrettature, disturbi nell'audio, schermo nero). Tra qualche anno potrebbe arrivare il DVB-T2, che non tutti i televisori in vendita oggi sono in grado di ricevere.

5 Semiconduttori L'elettronica è il regno dei semiconduttori, materiali con un comportamento che, a seconda delle condizioni di utilizzo, si può avvicinare sia a quello degli isolanti che a quello dei conduttori. I più utilizzati sono il silicio (Si) e il germanio (Ge). Mentre nei conduttori la corrente è dovuta ai soli elettroni liberi, cariche elettriche negative, nei semiconduttori è presente anche il contributo delle lacune, cariche elettriche positive. Elettroni e lacune si muovono, ovviamente, in senso opposto. In un semiconduttore puro il numero degli elettroni liberi è identico al numero delle lacune, ma nella maggior parte dei casi vengono utilizzati semiconduttori drogati, cioè semiconduttori a cui sono state aggiunte delle impurità. Abbiamo così semiconduttori di tipo P, in cui le lacune risultano in numero maggiore degli elettroni liberi, e semiconduttori di tipo N, in cui sono gli elettroni liberi a essere in numero maggiore rispetto alle lacune.

6 Semiconduttori SEMICONDUTTORI puri di tipo P di tipo N CARICHE MAGGIORITARIE nessuna lacune (positive) elettroni (negative)

7 Semiconduttori Un semiconduttore con una parte di tipo P e un'altra adiacente di tipo N, costituisce una giunzione PN. Immediatamente dopo la creazione di una giunzione PN, si forma spontaneamente al centro una zona di svuotamento, cioè una zona svuotata da tutte le cariche libere di muoversi (elettroni e lacune). Pertanto in queste condizioni iniziali non può circolare corrente.

8 Diodo Il diodo è un componente elettronico attivo semilineare a due terminali (bipolo), la cui funzione ideale è quella di permettere il flusso di corrente elettrica in un verso e di bloccarla totalmente nell'altro, la qual cosa viene realizzata ponendo dei vincoli (contatti metallici) alla libertà di movimento e di direzione dei portatori di carica. Il simbolo circuitale del diodo esprime chiaramente questa funzione: il triangolo indica la direzione che permette il flusso di corrente elettrica considerato convenzionalmente dal polo positivo (denominato Anodo) a quello negativo (denominato Catodo), mentre la sbarra ne indica il blocco. Diodo raddrizzatore Da questa struttura iniziale si sono evoluti nel tempo sia componenti con struttura più complessa basati su un principio differente, come i diodi a tempo di carica, sia nuovi dispositivi a tre terminali, come gli SCR e i triac, che hanno abbandonato il nome di "diodo".

9 Diodo a giunzione Il diodo a giunzione è un diodo a semiconduttore molto diffuso nell'ambito dell'elettronica a stato solido. È stato il primo dispositivo a semiconduttore reso disponibile commercialmente negli anni Viene realizzato utilizzando prevalentemente cristalli di Silicio drogati ad un'estremità (chiamata zona p) con atomi trivalenti (per es. Boro) ed all'altra (chiamata zona n) con atomi pentavalenti (per es. Fosforo). Tra la zona p e la zona n si crea una stretta zona di transizione in cui, a causa della variazione brusca nel tipo del drogaggio del semiconduttore (da cui il nome giunzione p-n), si crea una barriera di potenziale.

10 Diodo a giunzione Nella figura, è schematizzato il cristallo di Silicio, con la zona n (a destra) drogata con gli atomi di Fosforo e la zona p (a sinistra) drogata con gli atomi di Boro; nel contempo, è possibile fare un parallelo con il simbolo circuitale del diodo: la zona n corrisponde alla parte a destra, quella con la sbarra orizzontale, ed il terminale corrispondente viene chiamato usualmente catodo, mentre la zona p corrisponde alla parte a sinistra, quella con il triangolo, ed il corrispondente terminale viene chiamato usualmente anodo.

11 Diodo a giunzione Come si vede dalla figura, il diodo a giunzione tipo p-n crea intorno alla regione di carica spaziale un gradiente di carica: le lacune dalla zona tipo p tenderanno a spostarsi verso la zona n e, viceversa, gli elettroni tenderanno a spostarsi verso la zona tipo p: questo fenomeno è chiamato diffusione. Nel punto di giunzione, avviene il fenomeno della ricombinazione: le lacune e gli elettroni si ricombinano e quindi si ha una piccola regione di svuotamento o di transizione o regione di carica spaziale. Lo spessore di questa regione è dell'ordine di. Immediatamente a destra e a sinistra di detta regione, vi è un accumulo di cariche, come indicato nel primo diagramma della figura.

12 Diodo a giunzione Il secondo diagramma mostra il campo elettrico in modulo, che si crea nella regione di carica spaziale: esso è dovuto al doppio strato che si viene a formare per la presenza delle densità di cariche positive e negative accumulate in vicinanza del punto di giunzione. Questo campo elettrico ha direzione da n a p ed è negativo in modulo. Esso si oppone ad un ulteriore passaggio di cariche da una zona all'altra, cioè si oppone alla diffusione di carica e si ha equilibrio. E x x dx 0 Dove ρ è la densità di carica ed la costante dielettrica assoluta del materiale.

13 Diodo a giunzione Nel terzo diagramma della figura, si vede l'andamento del potenziale elettrostatico nella regione di carica spaziale: esso è l'integrale del campo elettrico: V Edx che crea una barriera di potenziale che si oppone alla diffusione di cariche entro la giunzione.

14 Applicando una tensione V con il morsetto negativo alla zona p e con il morsetto positivo alla zona n, il diodo è polarizzato inversamente. La presenza di questa tensione provoca un aumento della barriera di potenziale : si ha dunque una riduzione del flusso di cariche maggioritarie, cioè gli elettroni dal lato n e le lacune dal lato p sono impediti ad attraversare la barriera. Non sono influenzati invece i portatori di carica minoritari, cioè le lacune dal lato n e gli elettroni dal lato p, che quindi contribuiscono a creare una corrente indicata in figura, chiamata corrente di saturazione inversa. Tale corrente ha una dipendenza con la temperatura, raddoppiando all'incirca in modulo ogni 10 C. Diodo a giunzione Giunzione p-n polarizzata

15 Giunzione p-n polarizzata Diodo a giunzione Nella seconda figura, invece, i morsetti vengono ribaltati. Il morsetto positivo del generatore di tensione viene collegato al lato p e quello negativo al lato n: si ha polarizzazione diretta. In questo caso, la tensione V viene sottratta ( ), in modo che, abbassando la barriera di potenziale, non sussista più l'equilibrio, e gli elettroni della zona n (portatori maggioritari) tendano a spostarsi verso la zona p mentre viceversa le lacune dalla zona p si spostano verso la zona n: la loro somma crea una corrente diretta nel diodo.

16 Caratteristica tensionecorrente Diodo a giunzione Come si vede la particolarità del diodo è quella di condurre pochissimo al di sotto di una tensione di lavoro V γ che dipende dal materiale e dal diodo e per i diodi al Si è tipicamente di 0,6-0,7 V. In corrispondenza della tensione di lavoro, vi è ovviamente un'unica intensità di corrente di lavoro, il che implica che il diodo deve essere correttamente dimensionato quando utilizzato nei circuiti elettronici, per far sì che l'intensità di corrente ai capi del dispositivo non superi mai la massima intensità di corrente prevista per quello specifico diodo, parametro spesso denominato intensità di corrente nominale.

17 La curva caratteristica, che rappresenta il funzionamento di un diodo, è quella in rosso nell'immagine seguente: in pratica vediamo come varia la corrente I nel diodo al variare della tensione V applicata. Notiamo che un diodo, anche se polarizzato direttamente, non conduce fino al raggiungimento della tensione di soglia Vs (zona B evidenziata in giallo). Questa tensione vale circa 0,7 volt per i diodi al silicio e 0,25 volt per i diodi al germanio. Superata la tensione di soglia il diodo conduce (zona A evidenziata in verde). Se il diodo viene polarizzato inversamente non conduce o, comunque, la corrente inversa è normalmente trascurabile (zona C evidenziata in rosa). Nei diodi utilizzati come raddrizzatori non bisogna raggiungere la zona D di breakdown (in viola), nella quale la corrente assume valori elevati. Diodo a giunzione Caratteristica tensionecorrente

18 Diodo a giunzione Applicazioni circuitali Per le sue caratteristiche il diodo è utilizzato in molte applicazioni. Esso è utilizzato per modulare la forma d'onda di ingresso come limitatore di ampiezza, e come comparatore rispetto ad una tensione di riferimento. L'uso più comune è quello di raddrizzatore a una o a doppia semionda, cioè permette di raddrizzare la forma d'onda periodica come quella sinusoidale. Inoltre può essere associato al passaggio di corrente un fenomeno visivo, il diodo prende il nome di L.E.D. (light emitting diode).

19 Diodo L.E.D. Il diodo LED il cui acronimo è Light Emitting Diode, ovvero un diodo classico ad emissione di luce, è un componente elettronico con lo stesso funzionamento del diodo al silicio, contenente anch'esso una giunzione P-N realizzata con arseniuro di gallio o fosforo di gallio; entrambi i tipi di diodi led, polarizzati direttamente con una tensione compresa tra 1.5Volt e 3.2Volt(è necessario conoscere le caratteristiche tecniche del diodo, questo valore varia a seconda della sua lunghezza d'onda, più è minore, e più tensione potrà cadere ai suoi capi), in modo tale da consentire il passaggio di corrente compreso tra 10 e 30 ma all'interno della sua giunzione, emetteranno una luce; la luce può assumere diverse colorazioni, a seconda del tipo di materiale usato. Questo fenomeno viene chiamato "elettroluminescenza", ed è reso possibile dall'emissione di fotoni che vengono prodotti dalla ricongiunzione degli elettroni e delle lacune solo quando il diodo viene polarizzato direttamente.

20 Diodo L.E.D. La sua forma più comune può essere rappresentata dalla figura a sinistra, anche se i diodi led si differiscono tra di loro per colori e forme, dimensioni e potenze, a seconda del loro campo di utilizzo. Si può ben notare che hanno un terminale più lungo(solitamente è il positivo) ed uno più corto (negativo), e per funzionare in un circuito elettrico, devono essere obbligatoriamente rispettate le polarità. Per l'utilizzo di un diodo led, è sempre necessario collegare una resistenza in serie ad esso, per il semplice motivo di limitare la corrente che passa e non distruggere la giunzione interna. Questo avviene per il motivo spiegato nella caratteristica tensione-corrente di un diodo (vedi curva diodo), e cioè che a piccoli variazioni di tensioni, si hanno grandi variazioni di corrente, che di conseguenza portano alla rottura della giunzione, danneggiando così il diodo.

21 Diodo L.E.D. Alimentazione diretta diodi LED: Qui di seguito sono inseriti alcuni valori di tensioni dirette standard di alimentazione dei diodi led. Queste tensioni variano al variare del colore del LED. Colore ROSSO: 1.8 Volt Colore GIALLO: 1.9 Volt Colore ARANCIO: 2.0 Volt Colore VERDE: 2.0 Volt Colore BLU: 3.5 Volt Colore AZZURRO: 3.0 Volt

22 Diodo L.E.D. Caratteristiche principali dei diodi led: possono lampeggiare a frequenze molto alte, superiori al Mhz; emettono luce fredda, a differenza delle classiche lampadine a filamento; sono particolarmente adatti alla trasmissione di segnali tramite modulazione dell'intensità luminosa; grazie ai bassi consumi di corrente, è molto utilizzato nell'illuminazione a vantaggio del risparmio energetico; nella fabbricazione si possono raggiungere molte varianti di colore, ed utilizzando il Nitruro di Gallio, si può raggiungere una colorazione blu chiara.

23 FotoDiodi trasmettitori e ricevitori I fotodiodi sono dei diodi che entrano in conduzione solo quando vengono colpiti da una sorgente luminosa. Negli schemi elettrici questi componenti, che esternamente possono avere la forma di un diodo oppure di un transistor, vengono raffigurati come un normale diodo a cui si aggiungono all esterno delle frecce così da poterli distinguere dai componenti non sensibili alla luce. Se il diodo è emittente le frecce vengono rivolte verso l esterno, se ricevente verso l interno del componente. In pratica possiamo paragonare i fotodiodi alle fotoresistenze perché riescono a variare la loro resistenza ohmica al variare della luce, con la sola differenza che i fotodiodi devono essere collegati alla tensione di alimentazione rispettando la loro polarità positiva e negativa.

24 FotoDiodi trasmettitori e ricevitori Per farli funzionare bisogna infatti collegare il terminale Catodo (K) al positivo di alimentazione tramite una resistenza, come per un normale diodo led, ed il loro terminale Anodo (A) al negativo. La resistenza, che serve per limitare la corrente, si può collegare anche sul terminale Anodo. Esistono dei fotodiodi sensibili alla sola luce solare ed altri sensibili ai raggi all infrarosso, che, come sapete, sono invisibili al nostro occhio. Tanto per portarvi un esempio, nel televisore sono presenti dei fotodiodi all infrarosso che, captando i raggi infrarossi emessi da diodi emittenti sempre all infrarosso presenti nel telecomando, ci consentono di cambiare canale, di alzare o abbassare il volume, di regolare la luminosità o di accentuare o attenuare i colori. I fotodiodi emittenti e riceventi vengono di norma usati per gli apriporta automatici o anche per realizzare degli antifurti o dei contapezzi.

25 I TRANSISTOR I transistor sono componenti a tre terminali. Da uno di questi è possibile regolare il passaggio di corrente tra gli altri due. Facendo ricorso, come in altri casi, a un esempio idraulico, possiamo considerarli dei rubinetti. Come il rubinetto ha bisogno della pressione dell'acqua per svolgere il suo compito, così il transistor deve essere polarizzato, cioè correttamente alimentato.

26 I TRANSISTOR Il transistor può funzionare come: - amplificatore: piccole variazioni del segnale di comando su un terminale, generano grosse variazioni nel passaggio di corrente tra gli altri due; - interruttore elettronico: il segnale di comando ha solo due livelli in modo da ottenere o il massimo passaggio di corrente (interruttore chiuso) o assenza di corrente (interruttore aperto). Il segnale di comando in alcuni transistor (BJT) è una corrente, in altri (JFET, MOSFET) è una tensione. Poichè le funzioni del transistor richiedono la presenza di quattro terminali (quadripolo), due di ingresso e due di uscita, uno dei tre sarà comune sia all'ingresso che all'uscita. Sono costituiti da due diodi collegati in serie Nell'esempio generico in figura, il terminale (3) è comune tanto all'ingresso (1-3) che all'uscita (2-3), permettendo di ottenere un quadripolo.

27 IL BJT - TRANSISTOR BIPOLARE I tre terminali di un BJT sono Base, Collettore ed Emettitore. NPN PNP La corrente di emettitore IE è quella più elevata. La freccia indica proprio il verso di questa corrente. Poichè IE = IB + IC stabilito il verso di IE, risulta stabilito anche il verso di IB e IC (se IE è uscente - BJT NPN - IB e IC sono entranti - il contrario per i BJT PNP). Con una piccola corrente IB viene regolato il passaggio di una corrente più elevata tra collettore ed emettitore.

28 IL BJT - TRANSISTOR BIPOLARE In base al terminale posto in comune a ingresso e uscita, possiamo avere tre configurazioni: emettitore-comune, base-comune, collettorecomune. I figura possiamo vedere la schematizzazione della configurazione emettitorecomune in un BJT NPN. Come già scritto, un transistor, prima di svolgere la sua funzione, deve essere polarizzato. Vediamo un esempio di polarizzazione, sempre con la configurazione emettitore-comune.

29 IL BJT - TRANSISTOR BIPOLARE Attraverso il trimmer (T) è possibile eseguire la taratura della corrente continua di base I B ottenendo la corrispondente corrente di collettore I c (aumentando IB aumenta Ic). In questo modo impostiamo quello che viene chiamato punto di lavoro a riposo del transistor. Il rapporto tra corrente di collettore e corrente di base prende il nome di guadagno di corrente in continua o statico hfe = Ic / IB Non ha unità di misura (numero puro) e indica semplicemente quante volte la corrente di collettore è più alta della corrente di base.

30 I FOTOTRANSISTOR I fototransistor sono dei rivelatori di luce più sensibili dei fotodiodi, in generale più lenti nella risposta. Sono sostanzialmente dei transistori bipolari (BJT) polarizzati normalmente e senza la corrente di base (in alcuni tipi tale terminale è mancante). Se la giunzione BC viene illuminata, si crea una corrente inversa I L dipendente linearmente dall intensità luminosa. Questa corrente va aggiungersi alla debole ICBO già presente nei BJT. Si sfrutta l effetto di amplificazione della corrente inversa. Il rumore di fondo generato è minore di quello del fotodiodo. La grande sensibilità del dispositivo permette la connessione con dispositivi logici senza bisogno di amplificazioni ulteriori. I fototransistor (F.T.) vengono usati negli encoder di posizione, per creare delle barriere luminose. Lo schema seguente impiega un F.T. in funzionamento on/off (presenza/assenza di luce); conviene inviare il segnale di collettore a un trigger per la squadratura della forma d onda (fronti ripidi):

31 IL TRIAC Il Triac è un componente elettronico, di tipo semiconduttore, specificamente progettato per controllare carichi in corrente alternata (dall'inglese TRIode for Alternating Current).

32 IL TRIAC Dal punto di vista implementativo, il Triac è impiegato essenzialmente in due modi: relè dimmer (regolatore di potenza) Un utilizzo particolare è il seguente: Regolatore di tensione Si tratta di un dispositivo a tre terminali, di cui due sono detti anodi e sono la via di passaggio per la corrente controllata, mentre il terzo, definito gate, è l'ingresso di controllo. Idealmente il Triac equivale a due SCR collegati in antiparallelo con il gate in comune. Ciascun elemento conduce solamente nel semiperiodo dell'onda in cui è polarizzato direttamente, da quando viene applicato un impulso di corrente al gate (superiore ad una soglia minima di sensibilità) fino al passaggio per lo zero della corrente. Nel caso della rete elettrica industriale a 50 Hz il semiperiodo dura 0,01 secondi. Si noti che il Triac non regola la corrente, ma può trovarsi esclusivamente nelle modalità di conduzione o interdizione. Ciò non è uno svantaggio, anzi permette di gestire elevate potenze con piccoli segnali di comando e con limitata dissipazione di calore.

33 IL DIODO RADDRIZZATORE Un raddrizzatore consente di ottenere, partendo da una tensione alternata, una corrente pulsante unidirezionale. Il più semplice circuito raddrizzatore si ottiene utilizzando un solo diodo. Alimentandolo con una tensione alternata sinusoidale, il diodo D permette la circolazione della corrente in un solo verso (indicato dalla freccia), eliminando una semionda. tensione alternata sinusoidale

34 IL DIODO RADDRIZZATORE Come conseguenza la corrente (e quindi la tensione) che interessa la resistenza R, avrà un andamento pulsante. tensione pulsante In questo caso si parlerà di raddrizzatore ad una semionda. Se invece di eliminare una semionda, si rende più efficiente il circuito ribaltandola, otteniamo un raddrizzatore a doppia semionda.

35 IL DIODO RADDRIZZATORE Come vediamo nell'animazione, la corrente percorre l'utilizzatore (rappresentato genericamente da un rettangolo) sempre nello stesso verso, sia durante la semionda positiva, sia durante quella negativa. Si ottiene ancora una tensione pulsante, ma sfruttando anche la semionda negativa. tensione pulsante raddrizzatori a doppia semionda

36 ALIMENTATORI I circuiti elettronici richiedono generalmente un'alimentazione in bassa tensione continua. Per utilizare la normale tensione di rete a 230 volt alternati, deve essere utilizzato un alimentatore che abbassi la tensione rendendola, allo stesso tempo, continua. Esso è costituito da quattro blocchi: - Trasformatore: riduce la tensione che, però, rimane ancora alternata; - Raddrizzatore: obbliga la corrente a scorrere in un solo verso, eliminando una delle due direzioni di percorrenza che si hanno in regime alternato - otteniamo una tensione pulsante; - Filtro: livella la tensione pulsante ottenendone una quasi continua (rimane sempre una piccola ondulazione residua chiamata ripple); - Stabilizzatore: non interviene direttamente nel passaggio da tensione continua a tensione alternata, ma stabilizza la tensione di uscita anche in presenza di variazioni di assorbimento di corrente.