Come imparare l’elettronica da zero: idee e percorsi di sviluppo

Dopo aver discusso le differenze tra elettronica analogica e digitale e mostrato come implementare i primi progetti senza l’aiuto di un saldatore, questa volta cercheremo di presentare alcune direzioni d’ispirazione in cui possiamo andare, realizzando i primi circuiti elettrici o insegnando ai bambini l’elettronica.

Idee e ispirazioni per iniziare ad apprendere l’elettronica

Il più grande (ma forse l’unico) ostacolo all’inizio dell’educazione elettronica è quello di raccogliere l’equipaggiamento necessario. Come già accennato in questo articolo nelle sezioni precedenti, dipenderà in gran parte dall’approccio al nuovo hobby.

Ci sono molte possibilità, ognuna comporta un certo rischio e in tutti i casi ci attendono delle. Diamo un’occhiata ad alcuni problemi che possiamo affrontare all’inizio e quali spese comportano. Anche se vale la pena sottolineare che non si tratta di spese esorbitanti.

Circuiti elettrici base

Prima di iniziare l’avventura con l’elettronica, proviamo a immaginare l’elettricità con una metafora pratica e intuitiva, che consente di aiutare i bambini a comprendere questo fenomeno. Il modo più semplice per descrivere il fenomeno è utilizzare il paragone con l’acqua che scorre.

La differenza di potenziale, o tensione elettrica, può essere rappresentata come differenza di altezza tra la sorgente e il serbatoio (o la pressione prodotta da una pompa, il cui ruolo nel caso dell’elettricità viene svolto dall’alimentatore). ù

Se la corrente viene visualizzata come flusso di liquido nel tubo, l’interruttore può essere illustrato come una valvola.

L’intensità della corrente elettrica sarebbe quindi il valore della corrente; il resistore sarà un restringimento che limita il flusso; mentre il condensatore un serbatoio che prima si riempie e, dopo aver chiuso la valvola, si svuota gradualmente, permettendo all’acqua di scorrere ulteriormente per qualche tempo.

Usando questo paragone (in modo semplificato!) possiamo spiegare molti fenomeni utilizzati nell’elettronica.

Avendo già avuto un’idea del flusso di corrente, possiamo occuparci del primo progetto. Questa fase di apprendimento sarà cruciale per i più giovani.

Ricordiamo che il bambino deve prima comprendere le basi, che a noi possono sembrare ovvie. Pertanto, inizieremo con i circuiti più semplici, ad es. quelli che possiamo trovare in un impianto elettrico domestico.

Prima l’alimentazione di una lampadina con una batteria, poi l’accensione/lo spegnimento della lampadina mediante un pulsante, l’accensione di due lampadine alternativamente tramite un interruttore ecc.

Un esercizio per spiegare le applicazioni pratiche dell’elettricità è costituito da un sistema di due interruttori, ognuno dei quali può essere utilizzato per aprire e chiudere un circuito. Questa soluzione viene spesso utilizzata in lunghi corridoi, consente di accendere l’illuminazione a un’estremità e spegnerla all’altra.

Ricordiamo che i disegni facilitano notevolmente qualsiasi apprendimento, e in questo caso saranno un’introduzione per acquisire conoscenze sugli schemi elettrici.

Quando il nostro alunno capisce come può essere utilizzata l’elettricità, possiamo presentare con sicurezza un resistore (per limitare la luce), quindi sostituire la lampadina con un LED che si accenderà solo quando i pin all’alimentazione + e – sono collegati correttamente. In questo modo potremo entrare gradualmente nel campo dell’elettronica.

Progetti elettronici più semplici

Sorge la domanda su quale sia la strada migliore da seguire quando iniziamo a realizzare i primi progetti elettronici. Per mantenere una certa coerenza, vale la pena scegliere uno dei tre percorsi descritti di seguito per apprendere uno dopo l’altro alcune problematiche specifiche.

Si tratta di una scelta individuale, vale la pena scegliere l’opzione che riteniamo più interessante (o sceglierne altre che scaturiscono dagli interessi o dalle circostanze). Nel caso si lavori con un bambino, in primo luogo vale la pena scoprire a cosa è interessato il nostro adepto.

Le problematiche generali dell’elettronica sono strettamente correlate: indipendentemente dal percorso scelto raggiungeremo comunque l’obiettivo, che è quello di apprendere le basi.

Ricordiamoci che tutti commettono errori mentre imparano. Componenti bruciati, fili danneggiati e circuiti collegati in modo errato sono il pane quotidiano anche di ingegneri esperti. Quindi non arrendiamoci e continuiamo a provare! Lo strumento base dell’elettronica è un bidone della spazzatura per i progetti non riusciti.

Percorso basato sui componenti nell’apprendimento dell’elettronica

La prima idea per familiarizzare con l’elettronica è quella di concentrarsi su circuiti semplici che possiamo realizzare con i componenti più semplici.

Questo metodo ha il vantaggio che impareremo rapidamente a leggere gli schemi e decifrare i parametri degli elementi in base ai loro valori abbreviati (stampati sui corpi). Inoltre, seguendo questo percorso, apprenderemo a leggere i simboli dei diagrammi elettronici e la documentazione.

Ciò sarà necessario, tra l’altro, per collegare correttamente i transistor, riconoscere la polarità di condensatori e LED, ecc.

Il fatto che ci concentreremo su circuiti costruiti con elementi base non dovrà limitarci a realizzare progetti banali.

Al contrario, in questo modo potremo costruire sistemi di controllo per motori, generatori di suoni, amplificatori e trasduttori di segnali audio, controller dell’illuminazione e molti altri dispositivi utili.

Inoltre, in questa occasione impareremo il principio del loro funzionamento, che in futuro faciliterà la scelta e l’utilizzo dei circuiti integrati.

I progetti che vale la pena realizzare per primi includono multivibratori, raddrizzatori a ponte, ponti H, comparatori, interruttori automatici con sensori di temperatura e luce, sommatori di segnale, amplificatori e filtri RC ecc.

La regolazione del loro funzionamento avviene mediante interruttori e potenziometri opportunamente collegati, in modo che possano svolgere una serie di funzioni diverse.

In questa fase, inoltre vale la pena affrontare il problema dei gate utilizzati per eseguire operazioni logiche AND, NAND, OR ecc. Utilizzando dei transistor, potremo facilmente costruire questi circuiti, muovendo il primo passo verso l’elettronica digitale e i problemi dell’informatizzazione.

Le porte logiche sono una soluzione che viene utilizzata in molti piccoli progetti di automazione, pertanto sono uno strumento utile quando si progettano dispositivi personalizzati.

Percorso dei circuirti integrati nell’apprendimento dell’elettronica

I circuiti integrati non sono altro che circuiti elettronici realizzati con precisione e racchiusi in un alloggiamento dedicato.

Costruire progetti con questi ultimi è un po’ come costruire con i mattoncini lego. Accelerano significativamente la realizzazione di dispositivi più complessi. Ecco perché vale la pena scoprire alcuni prodotti multifunzione ormai affermati nel mondo dell’elettronica.

Sul mercato sono disponibili (letteralmente) centinaia di migliaia di circuiti integrati, tuttavia non dobbiamo avere paura! Questi prodotti sono suddivisi in diverse dozzine di gruppi, ma non tutti meritano di essere esplorati all’inizio dell’apprendimento.

È sufficiente conoscere i rappresentanti di ciascun gruppo base, le loro possibilità e la gamma di applicazioni. Non sarà una sfida particolarmente ardua se scegliamo articoli popolari e, di conseguenza, ampiamente descritti.

Inoltre: sarà sufficiente dare un’occhiata alla documentazione, dove viene sempre descritto un circuito tipico/esemplificativo. Realizziamolo e svolgiamo alcuni esperimenti su di esso. Molto presto ci renderemo conto che gli “integrati” vengono progettati tenendo conto della facilità d’uso. Scopriremo inoltre che inserirli in circuiti più complessi non è eccessivamente complicato.

Faciliteremo l’apprendimento se decidiamo di utilizzare moduli concepiti per la prototipazione. Si tratta di piccole schede PCB dotate di circuiti integrati preinstallati, di componenti esterni necessari e di pin contrassegnati in modo chiaro.

Poiché l’elettronica come hobby è attualmente molto popolare, molti circuiti possono essere trovati in questa forma: sensori, convertitori, amplificatori, ecc. Questi articoli vengono predisposti per l’utilizzo con basette sperimentali, dove occupano poco spazio e semplificano la realizzazione di progetti più grandi.

Una lezione preziosa inoltre sarà la ricostruzione del modulo sulla basetta sperimentale utilizzando i singoli componenti; in questo modo inoltre avremo la possibilità di sperimentare, ad es. cambiare il valore degli elementi nel circuito e osservare come cambia il funzionamento del circuito.

La domanda rimane: a quali sistemi dovrebbero interessarci in primo luogo?

Il timer NE555 è un classico intramontabile dell’elettronica. Anche se ha recentemente festeggiato il suo 50° compleanno, può ancora essere trovato in dispositivi nuovi di zecca.

Deve la sua longevità alle durevolezza, alla semplicità e allo stesso tempo all’enorme versatilità: consente di costruire numerosi generatori di forme d’onda rettangolari e sistemi temporizzati, può funzionare in tre modalità: monostabile (producendo un singolo impulso), astabile (forme d’onda) e bistabile (cosiddetto flip-flop) è sufficiente abbinare degli appositi componenti esterni.

Gli amplificatori operazionali e LM358 sono elementi molto utili che verranno utilizzati non solo nei progetti audio (come potrebbe suggerire la comprensione popolare della parola “amplificatore”). Il circuito LM358 può essere utilizzato, ad es. per generare forme d’onda o alimentare condizionatamente altri componenti.

Si rivelerà insostituibile in molte applicazioni, poiché consente, ad es. di adattare i segnali provenienti da una sorgente (ad es. sensore) ai livelli di ingresso richiesti da un altro sistema (ad es. controller per motore). Naturalmente, può essere utilizzato anche nei circuiti audio (preamplificatori microfonici, mixer, ecc.).

Presenta parametri elettrici relativamente ampi, grazie ai quali sarà difficile danneggiarlo durante gli esperimenti amatoriali. Come il timer 555, è caratterizzato da un prezzo molto basso.

Controllo base dei motori, L293D: il ponte H è un circuito che permette di controllare motori DC tramite tre segnali. I primi due determinano il metodo di collegamento dell’alimentazione ai pin del motore (in altre parole: la direzione di rotazione del rotore), il terzo attiva il flusso di corrente (ossia mette in moto l’azionamento).

I segnali di controllo non devono essere di elevata potenza, pertanto il L293D consente la realizzazione di circuiti in cui il movimento dipende direttamente dallo stato di uscita del sensore o del generatore.

Stabilizzatore di tensione regolabile, ad es. LM317: sebbene esistano molti modi per generare la tensione desiderata nei circuiti elettronici (ad es. utilizzando diodi Zener), l’impiego di uno stabilizzatore di tensione regolabile consente di raggiungere una differenza di potenziale invariabile con elevate prestazioni di corrente.

Questo è l’obiettivo principale di molti progetti, ad es. un sistema che controlla la velocità di un ventilatore o la luminosità di una striscia LED. Inoltre, vale la pena familiarizzare con gli stabilizzatori di tensione non regolati (con tensione di uscita nominale), ad es. 7805 (5V), 7812 (12V) ecc.

Questi circuiti integrati simili possono essere trovati nella maggior parte dei dispositivi alimentati a batteria, pertanto vale la pena conoscere in anticipo il principio del loro funzionamento.

Percorso teorico nell’apprendimento dell’elettronica

Perché le questioni teoriche appaiono solo al terzo posto? Prima di tutto, tutti i progetti sopra descritti richiederanno al costruttore di acquisire alcune informazioni sull’elettricità, nonché la conoscenza di semplici formule fisiche (ad es. derivanti dalla legge di Ohm).

Inevitabilmente, costruendo questi circuiti, l’hobbista si abitua a determinati termini, grandezze e unità di misura. Ciò consente di apprendere in modo naturale la teoria pura e come eseguire misurazioni precise.

Quando si tratta di materiali educativi, vale la pena scegliere un libro che descriva le basi dell’elettronica in modo completo e ordinato. Pertanto vale la pena cercare un libro o un sito web appropriato e attenerci al suo “percorso didattico”.

Naturalmente, nel caso degli adepti più anziani, non sarebbe male aggiornare prima le informazioni con delle lezioni di fisica.

Distruggiamo apparecchiature e giocattoli elettronici

Arvind Gupta, divulgatore indiano di scienze tecniche, è noto per aver affermato che la cosa migliore che un bambino possa fare con un giocattolo, è romperlo. È impossibile sopravvalutare il valore educativo associato all’apprendimento della meccanica e dell’elettricità dei giocattoli, anche nel caso di un semplice giocattolo luminoso.

Questo vale anche per i “giocattoli” dei bambini più grandi, come telecomandi TV, power bank e altri gadget. Se abbiamo dotato il nostro laboratorio elettronico di multimetri e di un oscilloscopio, possiamo affrontare coraggiosamente la distruzione di vecchi dispositivi RTV non necessari, ad es. una telecamera analogica o un lettore CD portatile, per apprendere i principi del loro funzionamento.

I più piccoli, d’altra parte, troveranno sicuramente molto divertimento nell’esplorare i loro giocattoli preferiti dell’infanzia.

Naturalmente, non c’è motivo di iniziare a smantellare in primo luogo dei dispositivi ancora funzionanti. Impareremo anche molto sull’elettronica smontando dispositivi non funzionanti.

Leggendo i simboli dei componenti e familiarizzando con la loro documentazione, inizieremo lentamente a comprendere gli schemi elettrici. Gli hobbisti armati di saldatore possono anche essere tentati di disinstallare alcuni circuiti integrati interessanti e provare a metterli in funzione sulla basetta di prototipazione; o lasciarsi trasportare dall’ambizione e tentare di riparare le apparecchiature danneggiate.

Anche se non ci riusciremo, apprenderemo qualcosa senza incorrere in alcun costo. Questo è sicuramente il modo più economico per imparare dagli errori.

Nel caso di alcuni giocattoli esiste un’altra possibilità: provare a modificarli, aggiungendo elementi elettromeccanici o optoelettronici. Costruire un proprio giocattolo spesso supera le capacità del bambino (e ancora più spesso mette a dura prova la sua pazienza).

La situazione è diversa se ad es. proponiamo di aggiungere dei fari (o forse persino un motore?) alla macchinina giocattolo, o l’illuminazione o l’ascensore in una casa delle bambole. Questa soluzione può essere una buona introduzione per affrontare il tema della robotica.

Macchine e robot nell’apprendimento dell’elettronica

La robotica amatoriale è attualmente un tema estremamente popolare. Forse perché la costruzione di una macchina in base ad un proprio progetto muove l’immaginazione e porta a risultati soddisfacenti.

I produttori hanno notato questa domanda, in questo modo sul mercato è presente una vasta selezione di componenti meccanici e di controllo. Prima di tutto i clienti possono scegliere tra elementi universali già pronti, come telaio o ruote.

Inoltre possiamo acquistare facilmente un certo numero di azionamenti, ad es. motori (DC, BLDC, stepper), spesso dotati di ingranaggi dedicati, con fori di montaggio standardizzati, ecc. L’offerta della TME comprende connettori, adattatori, supporti e molti altri accessori.

Lo stesso vale per i servomeccanismi, ossia motori dotati di ingranaggi ed encoder, grazie ai quali è possibile determinare con precisione l’angolo di rotazione dell’asse (questa funzionalità viene utilizzata nella costruzione di robot che camminano, bracci di presa, ecc.).

Nel campo della robotica amatoriale, scopriremo rapidamente i vantaggi dell’elettronica programmabile, ossia di piattaforme popolari come Arduino o Raspberry Pi.

Prima di tutto, con il loro aiuto è possibile il controllo simultaneo, preciso e veloce del funzionamento di molti motori.

In secondo luogo, i componenti digitali facilitano la costruzione di macchine. Controller appropriati, sensori o moduli di comunicazione sono ben documentati e relativamente economici.

In terzo luogo, la costruzione di robot basati su circuiti analogici base è, ovviamente, possibile, ma può rapidamente rivelarsi complicata. Molti componenti elettromeccanici, come i servomeccanismi e i motori passo-passo, richiedono segnali di controllo specifici e riprodurli con generatori e amplificatori è un’inutile complicazione progettuale.

Nel caso degli elementi programmabili, non avremo questo tipo di problemi. Pertanto, se hai intenzione di avere a che fare con robot complessi, cerca prima di acquisire esperienza con la programmazione di microcontrollori o la scrittura di script su  computer monoscheda.

Come funziona il computer

Grazie all’ampia disponibilità e al basso prezzo dei circuiti logici integrati, costruire un computer semplice richiede più pazienza, che conoscenze e denaro. Porte logiche, registri a scorrimento e memorie sono facili da usare e richiedono pochissimi componenti esterni per il corretto funzionamento.

Gli stati delle loro uscite e ingressi possono essere osservati collegando dei LED, il che rende più facile effettuare tentativi e correggere errori che si verificheranno sicuramente. Conoscere il computer “dall’interno” è anche  molto stimolante, poiché rende più facile capire il dispositivo con cui interagiamo ogni giorno, e allo stesso tempo impareremo a gestire l’elettronica digitale.

Non c’è da stupirsi che alcuni appassionati affrontino sfide intriganti in questo campo, ad es. ricreando computer “classici” utilizzando basette di prototipazione o costruendo propri semplici microprocessori, ma su scala “macro”.

Il miglior progetto elettronico per chiunque … non esiste.

Un buon progetto è quello che il costruttore vuole realizzare. È ancora meglio se sarà in grado di utilizzare frequentemente le sue funzioni. E sarà ancora meglio se il suo progetto ha portato all’apprendimento di nuove conoscenze da parte del costruttore. Ciò è sufficiente per determinare il successo del progetto.

Dal momento che abbiamo intrapreso un hobby del genere, assicuriamoci che ci renda felici. Non imponiamoci limiti o – ancor più – obiettivi eccessivamente ambiziosi. Per ogni cosa c’è il suo tempo. E ricordiamo di avere degli adepti dell’elettronica sotto le nostre ali.

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Testo redatto dalla Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
https://www.tme.eu/it/news/library-articles/page/55055/elettronica-davvero-per-tutti-apprendimento-dellelettronica-a-partire-da-zero-idee-e-percorsi-di-sviluppo/