Il perché ed il come

Le ragioni di questo articolo

Capita che il percorso scolastico, il lavoro e le faccende della vita tengano una persona distante dall'Elettronica anche se essa, vuoi per la sua natura pervasiva negli oggetti d'uso quotidiano oppure per il suo fascino intrinseco, un angolino nel cuore lo tiene occupato e negli anni scava e si espande finché non si riesce più ad ignorarla e si decide di darle spazio e tempo almeno come hobby. Si decide di darle spazio trovando un angolo di casa, un ripiano, un cassetto, una scatola dove riporre e custodire componenti e strumenti. Si decide di dedicarle tempo impiegando le ore libere della sera o del weekend perché avvertiamo che non sarà tempo perso ma ci ripagherà con soddisfazione, divertimento ed appagamento.

Oppure . . . . siamo semplicemente curiosi e desideriamo esplorare un nuovo mondo senza sapere il perché, ignorando il come e persino da dove iniziare.

Già, ecco il problema: da dove iniziare?

Un salto in edicola è già un primo passo e sfogliando 4 o 5 riviste è facile ricavare qualche spunto, un'idea, farsi attrarre da un progetto, da un kit di montaggio e ottenere qualche indicazione su negozi e fiere locali di elettronica.

Se si è a digiuno di teorie e concetti sarà bene procurarsi qualche testo visitando qualche libreria ma senza disdegnare la biblioteca sotto casa: è sorprendente la quantità di libri di elettronica che si trovano nelle biblioteche, sia a livello specialistico sia di natura divulgativa.
Un giro su Internet può fornire parecchi spunti, curiosando su siti e forum specialistici ed incontrando, visto che siete qui, siti come questo con articoli che cercano di raccogliere in un unico spazio, coerente e lineare, le informazioni di base e le indicazioni per muovere i primi passi.

A chi è rivolto

Questa lettura può tornare utile a chi non ha studiato elettronica alle superiori o comunque non ha mai messo piede in un laboratorio di elettronica. Possono trovare spunti pratici coloro che pur avendo nozioni di elettronica non hanno potuto fare esperimenti pratici come purtroppo succede a tanti studenti che raramente riescono ad entrare in un laboratorio.
Insomma, l'articolo è per tutti quelli che vogliono entrare in questo affascinante mondo ma non hanno le idee chiare su come iniziare.

Rimandi teorici

Come si evince dal titolo, qui si parla solo di pratica. Per le basi teoriche consiglio qualche libro o qualche articolo in questo stesso sito (vedasi bibliografia e sitografia).

Contenuto dell' articolo

Primi passi significa proprio partire da zero, quindi, verranno fornite indicazioni basilari su componenti e strumenti necessari, su cosa comprare, dove acquistare e quanto spenderemo. Eseguito l'acquisto passeremo a realizzare i primi semplicissimi esperimenti.

Quindi iniziamo col visualizzare ciò che ci serve.

Di cosa abbiamo bisogno?

Di seguito un elenco degli strumenti indispensabili, con breve descrizione e foto, ed una rassegna dei componenti necessari al primo esperimento:

BreadBoard

Sono delle basette di plastica traforate sulle quali inserire resistenze, condensatori, pulsanti, circuiti integrati ed altri componenti. Permettono di realizzare semplici circuiti senza la necessità di costruire un circuito stampato e senza dover saldarvi i componenti. Vedremo come usarle durante l'assemblaggio

BreadBoard.JPG

Filo rigido

Per collegare tra loro i componenti abbiamo bisogno del filo di rame di diametro adatto ai fori della breadboard. Possiamo usare il filo rigido che si trova nei cavetti telefonici essendo di facile reperibilità nei negozi di accessori elettrici o nei vari brico center

DoppinoTelefonico.JPG

Multimetro

Strumento di misurazione digitale o analogico in grado di misurare tensione, intensità di corrente e resistenza come minimo

Multimetro.JPG

Alimentatore

Per i nostri primi esperimenti abbiamo bisogno di un generatore di tensione a 5 V in grado di erogare una corrente continua di almeno 100 mA. Per iniziare va benissimo il classico alimentatore PC. Vedasi, per buoni consigli, l'articolo citato in Sitografia. In alternativa si può usare un qualsiasi trasformatore da Corrente Alternata (AC) 220 V a Corrente Continua (CC) 5 V sempre con almeno 100 mA. Insomma, qualunque alimentatore si usi ed eventualmente anche delle pile, l'importante è che fornisca una tensione minima di 4,75 V e massima di 5,25 V perchè questa è la variazione di tensione accettabile per un corretto funzionamento dei circuiti integrati che useremo

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Condensatori Elettrolitici

Nei nostri primi esperimenti li useremo solo come protezione da sbalzi di tensione in bassa frequenza

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Condensatori Poliestere

Qui li useremo solo come protezione da sbalzi di tensione in alta frequenza

CondensatoriPoliestere.JPG

Resistenze

Per ora ci serviranno per limitare le correnti in uscita dai circuiti integrati

Resistenze.JPG

LED

Usiamo i LED per visualizzare lo stato delle uscite dei circuiti integrati

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Circuiti Integrati (IC)

Useremo Circuiti Integrati TTL (Transistor Transistor Logic) della serie 74LSxx con package DIL o DIP (Dual In-line Package) o PDIP (Plastic Dual In-line Package) in quanto hanno un formato adatto all'inserimento nelle BreadBoard

IC.JPG

Visualizzati strumenti e componenti vediamo dove acquistarli e quanto ci costano.

Lista della spesa minima per i più cauti

Escludo dalla lista l'alimentatore perché spesso si ha in casa un vecchio PC oppure ci si avvale delle alternative viste sopra.
Per i primi pochi componenti indispensabili conviene acquistare presso il negozio locale di componenti elettronici oppure alla prima fiera di elettronica nei paraggi.

Totale spesa: da 30 a 40 euro circa.

Lista della spesa euforica per i più entusiasti

Nel caso si sia già convinti di voler approfondire l'argomento e di voler fare più esperimenti, conviene pensare ad un acquisto comprendente un buon assortimento di componenti per essere in grado di compiere anche esperimenti più avanzati. In questo caso, per un acquisto in grande stile, conviene effettuare un ordine via Internet presso Farnell, RS-Component, Futurlec, Distrilec, Elettroweb etc.

Totale spesa: l'euforia non ha prezzo.

Anche se molti esercizi si possono fare utilizzando LED per il controllo visivo di ingressi e uscite prima o poi ci renderemo conto che un oscilloscopio è indispensabile e tanto vale acquistarlo subito. Con 150 euro si acquista il PoScope Basic più che sufficiente per iniziare.

PoScope.JPG

Ora che abbiamo tutto il necesssario possiamo procedere col primo esperimento: test del circuito integrato 74LS08. Di cosa si tratta? A che serve questo integrato? Lo scopriremo andando a leggere il suo Data Sheet.

Il Data Sheet

Innanzi tutto è indispensabile munirsi del datasheet facilmente reperibile in rete.
A prima vista, la lettura di un datasheet può risultare ostica ma non deprimiamoci: con un po' di pazienza e procedendo per gradi cerchiamo di capire cosa ci dice.
Leggiamo le prime righe:

IC_1_descrizione.JPG

Bene, si tratta di un circuito integrato con 4 porte AND, indipendenti una dall'altra, a 2 ingressi.
Focalizziamo ora l'attenzione sul Connection Diagram con lo scopo di identificare i piedini:

IC_2_ConnectioDiagram.JPG

Per capire qual'è il piedino n. 1 esaminiamo la figura in Physical Dimension:

IC_3_PhysicalDimension.JPG

dove notiamo la tacchetta semitonda ed il cerchietto vicino al pin n.1
Ora siamo in grado di associare ogni piedino alla sua funzione descritta nel diagramma di connessione:

• Il piedino numero 7 (GND) andrà collegato a massa (0 V);

• Il 14 (Vcc) all'alimentatore (+5 V);

• I piedini A e B sono ingressi;

• I piedini Y sono le uscite.

Passiamo alla Function Table o "tabella delle verità" che descrive il comportamento di ognuna delle 4 porte:

IC_4_FunctionTable.JPG

La funzione specificata è Y = AB ovvero Y = A AND B.
A e B sono gli ingressi che in tutti i casi possibili possono assumere i 4 stati descritti:

• entrambi a Low (0 V),
• uno Low (0 V) e uno High (5 V),
• uno High (5 V) e uno Low (0 V),
• entrambi High (5 V).

Nei primi 3 casi l'uscita Y è Low (0 V) e solo nel quarto caso risulta High (5 V).

A titolo di esempio, vediamo lo schema elettrico del quarto caso:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Chiarite le funzioni dei pin del nostro Circuito Integrato non ci resta che procedere con l'esperimento per verificare dal vivo quanto affermato nella Function Table.

Assemblaggio e test

Prendiamo la BreadBoard e, per evitare confusioni, vi scriviamo sopra un bel "+" ed un "-" sulle 2 canaline laterali di alimentazione. Quindi incastriamo il circuito integrato a cavallo della linea centrale.
Posizioniamo il condensatore elettrolitico da 10 uF e quello in poliestere da 100 nF sul pin 14 (attenzione alla polarità del condensatore elettrolitico).
Scegliamo una delle 4 porte disponibili collegando il LED, la resistenza ed in fine i fili di collegamento alla massa (-) e quelli di alimentazione al (+). Il tutto come in figura seguente:

Esperimento.JPG

I due condensatori sul pin di alimentazione servono per attenuare sbalzi di tensione ed evitare che l'IC funzioni in modo irregolare.
Il LED serve per evidenziare visivamente se l'uscita della porta è High o Low.
La resistenza a valle del LED serve per limitare la corrente in uscita dalla porta.
Per la prima prova colleghiamo 2 fili volanti dal + agli ingressi A e B.
Bene, ora possiamo collegare l'alimentazione e verificare che il LED si accenda.
Poi proviamo le altre 3 configurazioni viste nella Function Table per verificare che il LED rimane spento.
Ottimo, funziona tutto proprio come previsto: congratulazioni!

Un'ultima prova: lasciando acceso il circuito, togliamo i due fili volanti sugli ingressi.
Che succede? Il LED rimane acceso o spento? Può darsi che resti spento ma anche acceso perché lasciando gli ingressi scollegati l'uscita sarà irregolare ed inaffidabile, quindi: mai lasciare scollegati gli ingressi delle porte in uso!

Per concludere verifichiamo, con l'aiuto del data sheet, di aver rispettato le condizioni operative consigliate dal costruttore.

Verifica condizioni operative

Andiamo a leggere le Recommended Operating Conditions sul data sheet:

IC_5_ROC.JPG

Col multimetro verifichiamo che la tensione Vcc sia effettivamente compresa tra 4,75 e 5,25 V.
La V_IH (V Input High: tensione High sugli ingressi) deve essere maggiore di 2 V: nel nostro caso lo è sicuramente dato che l'abbiamo collegata al + 5 V.
La V_IL (V Input Low : tensione Low sugli ingressi) deve essere minore di 0,8 V: anche qui siamo in regola perché l'abbiamo collegata a massa.

Passiamo a leggere le Electrical Characteristics:

IC_6_EC.JPG

Misuriamo la tensione sull'uscita col LED acceso: V_OH (V Output High) è maggiore di 2,7 V e tipicamente intorno a 3,4 V ?
Misuriamo la tensione sull'uscita col LED spento: V_OL (V Output Low) è inferiore a 0,5 V ?

Bene, ora controlliamo le correnti.

Per verificare I_IH e I_IL togliamo uno dei fili volanti sugli ingressi sostituendolo direttamente col multimetro configurato sulla lettura delle correnti.
Misuriamo la corrente in ingresso col LED acceso: I_IH (I Input High) è minore di 0,020 mA ? Si!
Misuriamo la corrente in ingresso col LED spento (multimetro tra massa e uno degli ingressi) : I_IL (I Input Low) è inferiore a 0,36 mA ? Si!

Per verificare I_OH e I_OL scolleghiamo la resistenza dalla massa e vi interponiamo il multimetro.

Misuriamo la corrente in uscita col LED spento: I_OL (I Output Low) è inferiore a 8 mA ? Si!
Misuriamo la corrente in uscita col LED acceso: I_OH (I Output High) è minore di 0,4 mA ? No!

Poffarbacco: come NO! Ebbene abbiamo sbagliato qualcosa! Difatti la I_OH rilevata è 1,4 mA ben al di sopra del consentito di 0,4 mA! Quindi?
Quindi non possiamo accendere un LED sul valore High di una uscita di un Circuito Integrato TTL: non è in grado di fornire sufficiente corrente.
Notiamo, invece, che la I_OL è maggiore della I_OH, ben 8 mA: sufficienti per accendere il LED.
Allora, per concludere positivamente il nostro esperimento non ci resta che far accendere il LED quando l'uscita è Low. La soluzione ci sembra contro intuitiva ma non abbiamo scelta: quando il LED è acceso significa che l'uscita è a zero. Rivediamo lo schema elettrico per correggere la disposizione della resistenza e del LED:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Quindi basta collegare la resistenza al + 5 V e girare il LED per assecondare la nuova polarità.
Ripetiamo la misura della I_OH e della I_OL: questa volta rientriamo nei valori raccomandati.

Tutto chiaro? Dubbi? Perplessità?

Una perplessità la anticipo io: perchè abbiamo usato una resistenza da 1 kOhm?
Perchè non 100 o 100.000 Ohm?
Perplessità più che legittima e la risposta è: provate per vedere che succede!
Provate con una R da 100 kOhm: che succede?
Provate con una R da 100 Ohm: che succede?
Ricordate che la corrente I_OL non deve superare 8 mA affinchè l'integrato possa sopravvivere a lungo.
Provate, infine, con un potenziometro da 0 a 1 kOhm in serie al multimetro per controllare la corrente su tutta la scala di valori.

In genere, nota la caduta di tensione ai capi del LED (V_LED), si dimensiona la R con la legge di Ohm in modo da non superare la I_OL ammessa:

Nel nostro caso, V_LED = 1,9 V, quindi:

ma, per non tirare il collo al povero integrato, conviene stare sui 1000 Ohm.

Bene, questo è tutto per ora, abbiamo verificato i parametri più rilevanti del nostro circuito integrato e concluso il nostro primo approccio con l'Elettronica Digitale.

Conclusioni

Con questi primi passi siamo entrati nel mondo dell'elettronica digitale. Ora sappiamo cosa e dove acquistare ciò che ci serve. Sappiamo leggere un datasheet e cercare di capire come funziona e come collegare un componente.
Se l'argomento ci affascina sarà necessario affrontare anche la teoria e sbizzarrirsi con gli esperimenti: il miglior modo per imparare rimane quello di provare e riprovare. Ad esempio possiamo applicare la medesima procedura sperimentale vista sopra anche alle altre porte logiche: OR (74LS32), NOR (74LS04), NAND (74LS00), etc.

Se l'articolo vi è piaciuto vi invito a scrivere un commento: dipenderà quindi da voi, se interessati, stabilire se è il caso o meno di proseguire con qualche altro esperimento un po' più complesso.

Per i più esperti: ogni osservazione è gradita ed auspicata.

Bibliografia

• in libreria:
  • Elettronica digitale (sapere e saper fare) Gianpiero Filella Sandit 2005 148 p.

• in Biblioteca:
  • Elettronica digitale Elisabetta Cuniberti, Luciano De Lucchi Editore Petrini, 2002 439 p.
  • Avventure con l'elettronica digitale Tom Duncan 58 p. (elementi base con 7 progetti completi)
  • Circuiti Integralti Digitali F. HURE Gruppo Editoriale Jackson 107 p. (elementi base con 20 esperimenti)
  • Progettazione digitale Franco Fummi, Maria Giovanna Sami, Cristina Silvano Editore McGraw-Hill, 2002 454 p.
  • Elettronica integrata digitale Erbert Taub, Donald Schilling Editore Jackson Libri, 1981 705 p. (scuole superiori)
  • Elettronica digitale e dispositivi logici di Ignazio Mendolia, Umberto Torelli
  • Circuiti Dell'elettronica Digitale
  • Elementi di elettronica digitale di Noel M. Morris Editore Milano : Hoepli, 1981 192 pag
  • Elettronica digitale di Thomas Floyd Editore Milano : Principato, 1983 736 p.
  • Progettare con l'elettronica digitale : dalla logica cablata al programmabile di Pierfranco Ravotto, Eugenio Piana Editore Jackson Libri, 1988 622 p.

Sitografia

• Introduzione all'Elettronica Digitale di g.schgor
• Il Primo Laboratorio di tardofreak
• Alimentazione-dei-circuiti-sperimentali di marco438
• Alimentatore fai da te di tonystark
• shop online: Elettronica digitale per principianti DVD Inware edizioni