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elettrònica

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Definizione

sf. [sec. XX; f. di elettronico]. In senso generico, scienza che studia il moto degli elettroni nel vuoto o entro la materia e i dispositivi il cui funzionamento è basato sui fenomeni associati a tale moto. È tuttavia arduo tentare una definizione precisa o stabilire delle delimitazioni per l'elettronica, in quanto questa disciplina è in grande sviluppo ed è ben lungi dall'essersi consolidata. Una possibile classificazione divide l'elettronica in tre grandi branche: componenti e circuiti, comunicazione, informatica. In questo schema la teoria e la tecnica dei circuiti elettronici, la fisica allo stato solido dei semiconduttori, l'elettronica e l'ottica quantistica, le microonde e l'elettroacustica fanno parte della branca componenti e circuiti. Le teletrasmissioni, la teoria dei segnali, il telerivelamento, le comunicazioni elettriche, l'elaborazione numerica dei dati rientrano nella branca delle comunicazioni. Infine, nell'informatica confluiscono gli elaboratori elettronici, la programmazione, l'intelligenza artificiale, la teoria dei controlli automatici. L'importanza economica delle tecnologie elettroniche è duplice. Per le aree più avanzate il peso quantitativo è di diversi punti percentuali del prodotto interno lordo. Trattandosi di tecnologie avanzate il ruolo trainante e l'indotto sono però ben maggiori del peso quantitativo. Vasto l'impatto sulla vita sociale: basti pensare alla televisione, ai videoregistratori, all'alta fedeltà, ai calcolatori tascabili, agli orologi digitali e, più recentemente, ai personal computer e ai telefoni cellulari. Inoltre l'elettronica medicale e le applicazioni elettroniche per l'ausilio agli handicappati stanno aprendo soluzioni nuove che rappresentano un salto di qualità nell'assistenza sanitaria.

Sviluppo e applicazioni

Storicamente l'elettronica si è venuta delineando con l'invenzione del triodo a vuoto (L. De Forest, 1908), la sua applicazione come amplificatore nelle radiocomunicazioni (1918) e la fabbricazione industriale dei primi radioricevitori (1923). L'attenzione era allora focalizzata sui tubi a vuoto, protagonisti delle applicazioni, e la definizione di elettronica come scienza che studia il moto dell'elettrone nel vuoto e i dispositivi che ne utilizzano le proprietà poteva sembrare del tutto soddisfacente. In seguito, con l'evolversi della teoria della controreazione (H. S. Black, 1934, H. Nyquist, 1938 e H. W. Bode, 1940), che è il fondamento dei moderni metodi di controllo e regolazione, e lo sviluppo dei circuiti logici (C. E. Shannon, 1938), che portavano nel 1943 alla realizzazione del primo calcolatore elettronico (l'ENIAC), si mise in evidenza la necessità di configurare l'elettronica più per gli obiettivi che si propone che per i mezzi tecnici che impiega. L'elettronica venne quindi definita come la scienza applicata che ha lo scopo di potenziare i sensi e le capacità intellettive dell'uomo attraverso strumenti che elaborano e raccolgono l'informazione per comandare macchine e dispositivi o la presentano per l'uso diretto in modo appropriato. Tale definizione non ha perso oggi la sua attualità, anche se ha il difetto di essere necessariamente vaga sulla fisionomia tecnica dell'elettronica e di sopravvalutarne i legami con la cibernetica. Una certa imprecisione nella definizione è però legata al fatto che l'elettronica ha rappresentato la matrice comune di un crescente numero di settori relativamente indipendenti tra loro, i quali, nell'interazione con l'elettronica, andavano evolvendo il loro preciso ruolo nella scienza o nell'ingegneria. Dopo la II guerra mondiale, un'importante tappa nello sviluppo dell'elettronica è coincisa con l'invenzione del transistore da parte di J. Bardeen e W. H. Brattain (1948) e di W. B. Shockley (1949), e con la successiva messa a punto (1957) delle tecnologie di fabbricazione dei componenti a semiconduttore, che hanno consentito non solo l'avvio del processo di miniaturizzazione, ma soprattutto hanno aumentato considerevolmente l'affidabilità delle apparecchiature elettroniche, rendendo possibile la realizzazione dei primi elaboratori ad alta velocità di calcolo (intorno al 1958). Benché poco appariscente dal punto di vista scientifico, anche l'introduzione di tecnologie basate su procedimenti di crescita epitassiale, dapprima migliorando i transistori (1961) e successivamente portando alla realizzazione dei circuiti integrati (1962), è da considerarsi un evento di estrema importanza, perché ha permesso di aumentare notevolmente la complessità e l'affidabilità dei circuiti, provocando una rivoluzione nella ripartizione dei compiti e nei metodi di progetto, senza dubbio superiore a quella dovuta all'avvento del transistore. In questo campo i progressi sono continui, mentre nello studio dei semiconduttori composti si sono registrati motivi di interesse con lo sviluppo di nuovi dispositivi per iperfrequenze (dispositivi a effetto Gunn e diodi IMPATT) e di rivelatori per l'infrarosso. Gli studi sull'emissione stimolata di A. Schawlow, C. H. Townes e N. G. Basov (1959) hanno portato alla realizzazione sperimentale del primo laser a rubino a opera di T. H. Maiman (1960) e alla successiva messa a punto di laser sempre più potenti con emissione nel visibile e nell'infrarosso. Negli anni Settanta si sono avuti ulteriori sviluppi dell'elettronica sia dal punto di vista tecnologico sia nelle applicazioni riguardanti soprattutto l'elaborazione delle informazioni e le telecomunicazioni. La tecnologia di produzione si è orientata sempre di più verso la riduzione delle dimensioni fisiche dei componenti (transistori, diodi, ecc.) che effettuano le funzioni elettroniche. Con la microelettronica è possibile concentrare su un chip anche più di un milione di transistori con i relativi componenti passivi e collegamenti circuitali; nei primi anni Novanta i chip hanno prestazioni che si avvicinano a quelle dei supercalcolatori per velocità, capacità di eseguire operazioni vettoriali, memoria, affidabilità, ecc. e hanno costi relativamente contenuti. Di pari passo si è perfezionato tutto il software (linguaggi di programmazione, sistemi operativi, ecc.) necessario per il loro funzionamento. Nel campo delle telecomunicazioni si è enormemente sviluppata la rete di satelliti geostazionari, ciascuno dei quali permette la contemporanea trasmissione intercontinentale di diversi programmi televisivi e di qualche migliaio di chiamate telefoniche; è inoltre da segnalare l'entrata in servizio di centrali di commutazione telefonica completamente elettroniche. Importantissimi sono stati gli sviluppi dell'elettroottica od optoelettronica, una nuova tecnologia che sfrutta per l'elaborazione delle informazioni e per le comunicazioni non solo i fenomeni elettronici, ma anche la luce coerente del laser e i fenomeni ottici in genere. La disponibilità di minuscoli laser a semiconduttore, di fibre ottiche estremamente sottili e trasparenti e di nuovi materiali fotosensibili ha permesso la trasmissione di segnali elettrici lungo fibre ottiche (ottenendo, nel campo delle telecomunicazioni, una capacità di trasmissione maggiore di quella su cavo coassiale e una attenuazione minore del segnale stesso), nonché di realizzare memorie ottiche con una densità di informazioni due milioni di volte maggiore di quella di un nastro o banda perforata.

Elettronica dello stato solido

Settore dell'elettronica che studia la realizzazione di dispositivi basati sulla tecnologia dei semiconduttori. Tale settore si basa sulle conoscenze derivanti dalla fisica dello stato solido e permette lo sviluppo di tutti quei componenti nei quali gli elettroni si muovono all'interno di materiali solidi (quali i semiconduttori). Il nome deriva dalla contrapposizione con l'elettronica dei tubi a vuoto o a gas, nei quali gli elettroni si muovono in regioni di spazio libere. A parità di applicazioni, i circuiti realizzati con la tecnologia dell'elettronica dello stato solido sono caratterizzati da livelli di tensione e di corrente molto più bassi rispetto agli analoghi circuiti realizzati con tubi elettronici, che tendono a essere via via sostituiti nelle varie applicazioni. Per esempio, la sostituzione degli schermi a tubi a raggi catodici (CRT) con schermi a cristalli liquidi (LCD) negli apparecchi televisivi, ha permesso di costruire tali apparecchi utilizzando esclusivamente circuiti elettronici allo stato solido, con grandi vantaggi per i consumi di potenza e per i livelli di tensione interna (in particolare non sono più presenti elementi in alta tensione).

Elettronica di potenza

Con il termine elettronica di potenza si intendono le attività, i prodotti e le applicazioni che si occupano della conversione elettronica di energia elettrica, ovvero del controllo con apparecchiature elettroniche del trasferimento di energia elettrica tra generatori e utilizzatori (carichi). Riguarda, quindi, l'insieme dei dispositivi, sistemi e tecniche necessari per operare, con elevato rendimento energetico, trasferimenti controllati di energia elettrica. Gli apparati che realizzano elettronicamente tale controllo di energia si chiamano convertitori elettronici di potenza (di seguito indicati come convertitori) e svolgono la funzione di interfacce elettroniche, che agiscono sulle grandezze elettriche erogate dalle sorgenti in modo da adattarle alle esigenze dei carichi. I convertitori vengono classificati in convertitori cc/cc (se destinati ad agire da interfaccia tra sorgenti e carichi a corrente continua), convertitori ca/cc o raddrizzatori (se le sorgenti sono a corrente alternata e i carichi a corrente continua), convertitori cc/ca o invertitori (se le sorgenti sono a corrente continua e i carichi a corrente alternata) e convertitori ca/ca (se sorgenti e carichi sono a corrente alternata, non necessariamente alla stessa frequenza). Un sistema elettronico di potenza è, pertanto, costituito da uno o più convertitori, dai relativi circuiti di filtraggio, controllo e protezione, oltre che da eventuali trasformatori (con funzioni di isolamento e adattamento dei livelli di tensione), che consentono di operare la conversione di energia desiderata secondo le specifiche statiche e dinamiche, delle sorgenti e dei carichi. L'evolversi di questo settore è stato rapido e accompagnato da una costante espansione di mercato, ciò è dovuto alle possibilità offerte dai dispositivi allo stato solido di controllare la potenza elettrica non più nelle frazioni di secondo, caratteristica dei componenti elettromeccanici, ma nei milionesimi di secondo; a ciò va aggiunta la sinergia derivante dalla possibilità di realizzare un interfacciamento diretto con la microelettronica per eseguire un controllo completamente elettronico delle potenze elettriche. L'ampio campo di potenze in gioco nelle applicazioni (da alcuni Watt fino a molti MW), le differenziate caratteristiche delle sorgenti (tensioni da alcuni volt fino a centinaia di kV, correnti tra alcuni mA e centinaia di kA) e la varietà di esigenze specifiche dei carichi fanno sì che le tecnologie realizzative dei convertitori di potenza risultino assai differenziate anche nell'ambito di una stessa classe di convertitori. I primi componenti elettronici a semiconduttore utilizzati per la conversione di potenza sono stati diodi e tiristori, in particolare SCR (Silicon Controlled Rectifier), RCT (Reverse Conducting Thyristor) e TRIAC (Triode Alternate Current Switch), su cui si è basato lo sviluppo dei circuiti raddrizzatori a stato solido già a partire dagli anni Cinquanta e la loro massiccia diffusione dagli anni Sessanta. Negli anni Settanta si sono affermati i transistori bipolari di potenza o BJT (Bipolar Junction Transistor), poi affiancati dai transistori di potenza a effetto di campo (Power Mosfet), sviluppati negli anni Ottanta, e dai transistori bipolari a gate isolato o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), introdotti negli anni Novanta. Nelle applicazioni elettroniche di potenza tutti i dispositivi vengono utilizzati come interruttori (switch) elettronici al fine di conseguire elevati rendimenti e bassa dissipazione di potenza. In alcune applicazioni di grande potenza sono usati i tiristori GTO (Gate Turn Off Thyristor) che possono sostenere tensioni di alcuni kV, correnti di alcuni kA ed essere controllati in accensione e spegnimento tramite l'elettrodo di gate. Va sottolineato che la ricerca, oltre che nella messa a punto di nuovi componenti di potenza a semiconduttore con caratteristiche migliorate, punta a un prodotto integrato, in cui oltre al componente sono presenti il circuito di accensione e spegnimento e i circuiti di protezione. Anche se alcuni dei dispositivi sopra citati (in particolare i transistori) consentirebbero regolazioni di tipo lineare, similmente a quanto accade nei circuiti amplificatori, l'esigenza di conseguire elevati rendimenti energetici, cioè basse perdite di energia nella conversione elettronica di potenza, impone l'uso di tutti i componenti elettronici in regime di commutazione (funzionamento switching), cioè come interruttori che assumono i soli stati “aperto” (off) o “chiuso” (on). Infatti, mentre un componente elettronico in funzionamento lineare è assoggettato simultaneamente a tensioni e correnti rilevanti ed è, quindi, sede di una significativa dissipazione di potenza, un componente utilizzato in modo switching dissipa una potenza modesta: nello stato off la corrente che lo attraversa è trascurabile, mentre nello stato on la caduta di tensione ai suoi capi è piccola, di contro la maggior parte delle perdite di potenza è concentrata durante la commutazione tra i due stati on e off, ed è quindi proporzionale al numero delle commutazioni.

Bibliografia

F. Terman, Electronics and Radio Engineering, New York, 1962; S. Malatesta, Elettronica e Radiotecnica, Pisa, 1967-68; G. Hillman, C. Halkias, Integrations Electronics, New York, 1972; A. Cupido, Elettronica generale, Macerata, 1987.