Introduzione

Si spiegano così lo scorrere delle acque, la caduta dei fulmini, e la meravigliosa forza d'attrazione dell'ambra e della calamita: in nessuno di tutti questi oggetti vi è la forza attraente, ma poiché il vuoto non c'è, questi corpi si respingono in giro l'uno con l'altro, e separandosi e congiungendosi, cambiano di posto, e vanno ciascuno nella propria sede.   Platone

Elettricità

La materia dell'universo è formata da atomi che a loro volta sono formati da una combinazione di tre particelle:

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Il loro numero all'interno di un atomo (o meglio il numero di protoni o numero atomico) definisce quale elemento chimico rappresenta quell'atomo, ad esempio:

Se un atomo è in uno stato di equilibrio stabile ha lo stesso numero di protoni e di elettroni. I primi formeranno assieme ai neutroni il nucleo dell'atomo, i secondi ruoteranno attorno al nucleo seguendo diverse orbite:

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Gli elettroni infatti sono legati all'atomo grazie alla carica elettrica che è una proprietà della materia e può essere di due tipi:

Gli elettroni hanno una carica negativa, i protoni hanno carica positiva mentre i neutroni non hanno carica (carica neutra). Tra questi due tipi di carica agisce una forza chiamata forza elettrostatica o forza di Coulomb che fa sì che due cariche dello stesso segno si respingono mentre due cariche di segno opposto si attraggono:

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Questo è il collante che tiene gli elettroni legati al nucleo di un atomo.

La distanza tra due cariche (sia di segno opposto che dello stesso segno) definisce la quantità di forza elettrostatica: più sono vicine maggiore sarà la forza (sia di spinta che di attrazione). Le orbite dei singoli elettroni si sviluppano a distanze variabili rispetto al nucleo e gli elettroni più vicini ad esso subiranno una maggiore forza di attrazione rispetto a quelli più lontani che sono chiamati elettroni di valenza e possono essere espulsi dall'atomo più facilmente dei primi. Infatti se applichiamo in qualche modo una maggiore forza elettrostatica su un elettrone di valenza (attirandolo con una carica positiva o respingendolo con una negativa) lo possiamo estrarre dall'atomo trasformandolo in un elettrone libero All'interno della materia questi elettroni passano da un atomo all'altro in modo caotico sostituendosi vicendevolmente per mantenere l'equilibrio elettrico dei singoli atomi:

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Se però prendiamo in considerazione la materia che forma un filo di rame (materiale conduttore) e applichiamo alle sue due estremità cariche di segno opposto il moto degli elettroni liberi non sarà più caotico ma seguirà un flusso ordinato che va dalla carica negativa verso quella positiva (anche se la corrente convenzionale ha direzione opposta: dal potenziale positivo a quello negativo).

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Questo flusso si chiama corrente elettrica e per quanto riguarda l'argomento trattato in questo scritto scorre in un circuito elettrico. Essa infatti è la forma di energia che alimenta tutti i devices elettrici che utilizziamo quotidianamente e come abbiamo visto può descrivere e trasportare all'interno di una catena elettroacustica un segnale audio.

Esistono due tipi di corrente: continua (DC o Direct Current) e alternata (AC o Alternate Current).

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Il primo caso (DC) si verifica quando ad esempio colleghiamo una pila ad un circuito come faremo in seguito: il flusso di elettroni scorre nel cavo seguendo un'unica direzione oppure quando inviamo la phantom power (+48V) ad un microfono a condensatore, mentre il secondo caso (AC) è quello della corrente fornita alle prese elettriche delle nostre abitazioni: tutti i generatori elettrici producono infatti corrente di questo tipo dove il flusso di elettroni si muove prima in una direzione (fase positiva) poi nell'altra (fase negativa) seguendo usualmente un andamento sinusoidale. Possiamo verificare questa affermazione osservando uno schema illustrante i tipi di elettricità ditribuiti nei vari paesi del mondo notando come i parametri specificati siano due: il voltaggio (V) e la frequenza (Hz) dell'andamento sinusoidale. Questo tipo di corrente inoltre è quello che descrive e trasporta tutti i segnali audio analogici.

Circuiti elettrici

La corrente elettrica può scorrere all'interno di un circuito chiuso realizzato con un materiale conduttivo come ad esempio il rame (non a caso il materiale con il quale sono costruiti i fili elettrici), ovvero un materiale che non oppone grande resistenza al flusso di elettroni liberi, al contrario di un materiale isolante come ad esempio la gomma con la quale sono ricolerti i fili elettrici di rame.

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Un circuito deve essere formato da almeno tre elementi:

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In genere è presente anche un interruttore per aprire o chiudere il circuito:

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Vediamoli nel dettaglio tenendo sempre ben presente la figura sottostante.

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Tensione (V)

La tensione può essere definita come la differenza di potenziale tra due punti di un campo elettrico o di un circuito elettrico. Per meglio comprendere questa definizione dobbiamo però prima capire cosa è l'energia in generale: energia è la capacità di un oggetto di compiere lavoro su un altro oggetto ovvero la capacità di muovere quell'oggetto a una certa distanza. Detto ciò completiamo l'informazione col dire che esistono solo due stati di una qualsiasi forma di energia: cinetica o potenziale.

Tornando nello specifico l'energia potenziale elettrica descrive la quantità di energia immagazzinata da una carica (sia essa positiva o negativa) che, se messa in moto da una forza elettrostatica si trasforma in energia cinetica che compie lavoro (il flusso di elettroni). Per tutte le cariche comprese in un campo elettrico l'energia potenziale elettrica dipende dal tipo (positivo o negativo) e dalla quantità di carica, nonchè dalla sua posizione nel campo. La tensione ovvero la differenza di potenziale elettrico non è però la stessa cosa dell'energia potenziale elettrica: in ogni campo elettrico o circuito ci sono due punti di potenziale elettrico: uno di alto potenziale (+) dove una carica positiva avrebbe l'energia massima possibile e che nella figura corrisponde al punto più alto della montagna e uno di basso potenziale (-) dove una carica avrebbe la minima energia possibile e che nella figura corrisponde alla valle. L'unità di misura utilizzata per misurare la tensione è il Volt (V). Questi due punti corrispondono ai due poli di una pila (corrente continua) così come ai due buchi delle prese di corrente domestiche (corrente alternata) e ai PIN 5V (o 3.3V) e GND (ground) di Arduino.

Corrente (I)

La corrente o meglio intensità di corrente può essere definita come la quantità di cariche elettriche che fluiscono attraverso una sezione immaginaria di un cavo del circuito in un dato periodo di tempo e viene misurata in Ampere (A) o mA (milliampere dove 1A = 1.000mA) con uno strumento chiamato amperometro. Una corrente con un intensità di 1 ampere sposta 6,24150948*1018 portatori di carica elementare (elettroni) in un secondo fra due parti di un circuito. Nella figura soprastante corrisponde al numero di sassi che cadono nel dirupo in un secondo.

Resistenza (R)

La resistenza elettrica è una grandezza che misura la tendenza di un oggetto a opporsi al passaggio di corrente elettrica e dipende dal materiale con cui è realizzato, dalle sue dimensioni e dalla sua temperatura. Si misura in Ohm (Ω) e nella figura soprastante corrisponde al numero di alberi presenti sul dirupo che possono frenare o bloccare le pietre. Una resistenza è anche un componente di un circuito che resistendo al flusso di corrente converte l'energia in calore.

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Se ad esempio ne posizioniamo una prima di un componente utilizzatore come un LED, consumerà parte dell'energia che arriverà a quest'ultimo con una minore intensità. Questo ci consente di alimentare i diversi componenti con la giusta quantità di energia della quale hanno bisogno. Se non inseriamo alcuna resistenza (che può essere anche un componente utilizzatore) tra il polo positivo e quello negativo di un circuito si genera quello che si chiama corto circuito: la sorgente di alimentazione e i cavi convertono l'energia elettrica in calore e possono provocare incendi o esplosioni.

Questi tre elementi (tensione, corrente e resistenza) sono strettamente legati tra loro da una legge, la prima legge di Ohm che affronteremo nei prossimi paragrafi.

Arduino

Arduino è una piattaforma elettronica open-source modulabile nell'hardware e programmabile attraverso un semplice software. Le schede Arduino (Arduino boards) sono capaci di leggere valori in input provenienti da diverse sorgenti (sensori di ogni tipo, bottoni, potenziometri, messaggi di Twitter, etc.) per trasformarli in valori di output che possono ad esempio attivare un motore, accendere e spegnere uno o più Led, pubblicare qualcosa online oppure essere inviati ad altri software come Max, SuperCollider o Processing per generare o manipolare suoni o immagini. Con una scheda Arduino collegata ad altre apparecchiature elettriche ed eventualmente a un computer possiamo realizzare installazioni interattive, nuovi strumenti musicali elettronici controllati da sensori, progetti di interaction design, progetti di domotica, etc.

Riassumendo.

Modelli

In commercio ci sono diversi modelli di Arduino, ognuno ha caratteristiche proprie ed è ottimizzato per esigenze specifiche. A questo link possimo trovarne un elenco esaustivo comprensivo di tutte le descrizioni tecniche. Vediamo le principali tipologie:

Componenti e schemi elettrici

Abbiamo visto come il "cuore" di tutti i progetti sia la scheda di Arduino ma per prototipare i nostri progetti avremo bisogno anche di altri componenti come pile, sensori, cavi e cavetti, led, motori, etc. che potremo facilmente collegare alla scheda di Arduino utilizzando un altro componente: la breadboard. Cominciamo osservando le componenti principali di Arduino UNO:

Scheda Arduino UNO

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Nelle descrizioni dei componenti appena esposte ci sono moltissimi argomenti che affronteremo nel dettaglio passo dopo passo e dunque anche alcuni termini che probabilmente al momento possono risultare oscuri si chiariranno nel corso delle realizzazioni pratiche.

Alimentazione

Nel paragrafo precedente abbiamo visto che possiamo alimentare Arduino in diversi modi:

Breadboard

Per prototipare un circuito che comprende diversi componenti come uno o più sensori, uno o più attuatori interconnessi con Arduino possiamo utilizzare una breadboard o basetta sperimentale dove è possibile inserire dei piccoli fili elettrici rigidi che connettono tra loro i diversi componenti del circuito.

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Quando avremo finito e testato il nostro circuito dovremo però costruirne uno vero saldando i collegamenti tra i fili elettrici e i diversi componenti con le basette millefiori o con una proto shield dedicata di Arduino.

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Osserviamo ora le caratteristiche di una breadboard.

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Come possiamo osservare sopra e sotto ci sono due file di fori che si sviluppano orizzontalmente contrassegnate con i segni + e - (una di queste è marcata in verde nell'immagine). In queste file tutti i fori sono collegati insieme orizzontalmente e se ad esempio collego uno solo foro (+) con il pin 5V di Arduino in tutti gli altri fori della fila avrò la stessa tensione. Lo stesso vale per la seconda linea orizzontale (-) che se collegata al pin GND chiude il circuito. Questo serve ad esempio per poter alimentare contemporaneamente più sensori e/o attuatori. All'interno della breadboard invece i collegamenti avvengono nello stesso modo ma verticalmente, ovvero tra 5 fori (quelli marcati in azzurro nell'immagine). Nel nezzo c'è una linea che divide in due parti isolate la breadboard e se vogliamo passare corrente tra un foro di una parte a quello dell'altra dovremo per forza utilizzare un ponte o un filo elettrico che li connetta.

Schemi elettrici

Fino ad ora tutti i circuiti sono stati illustrati da immagini che riportano visivamente i componenti così come sono nella realtà. Possiamo però descrivere qualsiasi circuito attraverso schemi elettrici che astraggono la realtà e che utilizzano simboli precisi che descrivono le varie parti e i collegamenti di un circuito. Nello schema seguente è illustrato un circuito di alimentazione di Arduino con una pila da 9V che è rappresentata con il simbolo dell'alimentazione già incontrato all'inizio del capitolo. Altri simboli li incontreremo passo dopo passo nella realizzazione degli esempi pratici.

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Costruiamo circuiti

Circuito semplice

Led

Costruiamo il circuito più semplice già illustrato all'inizio del Capitolo con i seguenti componenti:

Lo schema illustrato dei collegamenti:

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E lo schema elettrico:

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Notiamo come prima cosa che nello schema elettrico non è illustrata la breadboard in quanto è solo uno strumento di prototipazione non strettamente necessario alla realizzazione del circuito e il simbolo del LED che è un diodo (Light Emitting Diode). Questo componente trasforma energia elettrica in energia luminosa e lo utilizzeremo nei nostri esempi principalmente a scopo esemplificativo (come in questo caso) o come monitor visivo nella verifica di qualche processo. I LED generalmente hanno due piedini:

Invertendo i poli il LED si brucia.

Collegando la pila chiudiamo il circuito, la corrente scorre e il LED si illumina fino a quando non stacchiamo la pila.

Resistenze

Modifichiamo leggermente il circuito aggiungendo ai componenti una resistenza:

Prima di inserire un qualsiasi componente come un LED in un circuito, per evitare di bruciarlo o di non farlo funzionare dobbiamo conoscere almeno tre valori:

Generalmente possiamo reperire queste informazioni all'interno di schede tecniche fornite dai costruttori chiamate spreadsheet. Nel nostro caso:

A questo punto dobbiamo stabilire se è necessario inserire o meno una resistenza nel circuito per regolarne la quantità di corrente e nel caso scegliere il suo valore attraverso semplici calcoli matematici derivati dalla prima legge di Ohm.

Prima legge di Ohm

I valori di tensione (V), corrente (I), resistenza (R) e potenza (W) di un circuito non sono indipendenti ma legati tra loro secondo le formule matematiche espresse nella prima legge di Ohm:

Costruiamo il circuito:

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Per prima cosa ci dobbiamo assicurare che la corrente assorbita dal LED non sia superiore a 30mA (IR) anzi che per una durata ottimale del componente sia attorno ai 20mA (più corrente passa attraverso un LED prima si consuma). Per limitare il passaggio di corrente inseriamo una resistenza e calcoliamone il valore corretto:

R = (VI - VF) / I = (5 - 2.2) / 0.02 = 2.8 / 0.02 = 140 Ohm

Siccome le resistenze hanno valori standard (a questo link la tabella) potremmo utilizzarne una con il valore più vicino a quello ottenuto attraverso il calcolo (in questo caso 150 Ohm). Osserviamo che i valori sono espressi in Ohm, kOhm (1 kOhm = 1.000 Ohm), mOhm (1 mOhm = 1.000 kOhm = 1.000.000 Ohm), gOhm (1 gOhm = 1.000 mOhm = 1.000.000 kOhm = 1.000.000.000 Ohm).

Infine dato che una resistenza attraversata da corrente come abbiamo visto produce calore, dobbiamo calcolare quanti Watt deve poter sopportare senza correre il rischio di vederla bruciare davanti ai nostri occhi.

W = (VI - VF) * I = (5 - 2.2) * 0.02 = 2.8 * 0.02 = 0.056

In questo caso questa restistenza dissiperà 0.056W di potenza e per non farla riscaldare troppo dovremo sceglierne una il cui valore di sopportazione dichiarato sia almeno del doppio (0.112W).

In conclusione di questo progetto possiamo notare leggendo lo schema elettrico che abbiamo inserito una resistenza di 220Ohm perchè è quella inclusa nello starter kit col valore più prossimo a quello calcolato. In questo caso possiamo ricavare la quantità di corrente che scorre nel LED e la tensione in ingresso attraverso i seguenti calcoli:

I = (VI - VF) / R = (5 - 2.2) / 220 = 2.8 / 220 = 0.012A = 12mA

V = I * R = 0.012 * 220 = 2.64V

ottenendo valori che rientrano nei limiti forniti dal produttore del LED.

Abbiamo desunto il valore della resistenza leggendo lo schema elettrico, ma in realtà questi valori sull'hardware sono codificati attraverso un sistema a 4, 5 o 6 bande colorate (nel caso di 220 Ohm: rorro-rosso-marrone-oro). A questo link troviamo una spiegazione esaustiva dei codici e un format per calacolare automaticamente il valore inserendo i colori delle bande presenti.

Pulsante

Nel circuito appena realizzato il LED si accende appena colleghiamo Arduino alla fonte di energia (la pila) e si spegne quando scolleghiamo la stessa, modifichiamo nuovamente il circuito aggiungendo ai componenti un pulsante.

Costruiamo il circuito:

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In questo caso schiacciando il pulsante chiudiamo il circuito e la corrente passa attraverso il LED accendendo la luce, altrimenti il circuito rimane aperto e il LED rimane spento, potremmo definirlo un circuito a due stati: on/off, vero/falso oppure 1/0. A questo link troviamo lo spreadsheet del pulsante incluso nello starter kit di Arduino dal quale possiamo evincere che può essere attraversato da una corrente di 50mA con una tensione continua fino a 12V. Come abbiamo visto nei calcoli alla fine del paragrafo precedente, in uscita dalla resistenza abbiamo 12mA e 2.64V che sono anche in questo caso valori che rientrano nei limiti sopportabili dal pulsante.

Potenziometro

Nel circuito appena realizzato possiamo solamente accendere o spegnere il LED premendo un pulsante, ma se volessimo poter controllare in modo dinamico la luminosità del LED dovremmo sostituire il pulsante con un potenziometro.

Costruiamo il circuito:

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Un potenziometro è una resistenza variabile che ha tre piedini: i due laterali (1 e 3 nello schema elettrico) vanno collegati uno al positivo e l’altro alla massa, quello centrale (il 2 nello schema elettrico) invece, dobbiamo collegarlo all’anodo del LED in quanto la tensione su questo piedino varia da 0 a 2.64V a seconda della posizione della rotella meccanica. Se la rotella è completamente a destra non ci sarà alcuna resistenza al passaggio della corrente se invece è completamente a sinistra ci sarà la massima resistenza, che solitamente è dichiarata dal produttore e che in questo caso il valore massimo del potenziometro è di 10kOhms.

Circuiti in serie e in parallelo

Se inseriamo in un circuito diversi componenti collegati tra loro abbiamo a disposizione due possibili configurazioni: in serie e in parallelo. Per comprendere meglio costruiamo il circuito dove sono presenti entrambe le configurazioni:

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I componenti che sono a sinistra del LED sono in serie perchè formano un percorso unico per la corrente che il attraversa e la prova sta nel fatto che se non li premiamo entrambi il circuito rimane aperto e il LED non si illumina. I componenti situati a destra del LED sono invece in parallelo in quanto collegati entrambi a una coppia di conduttori: basterà premere uno qualsiasi dei due bottoni per chiudere il circuito e accendere il LED. In un circuito complesso possono coesistere sia componenti in serie che in parallelo. Nel circuito appena realizzato i valori di tensione e corrente sono del tutto simili sia nella parte in serie che in quella in parallelo in quando i dispositivi posizionati nelle due diverse configurazioni sono dei pulsanti che non modificano ne l'una ne l'altra, ma cosa succederebbe se i componenti in serie o in parallelo fossero utilizzatori come ad esempio i LED?

Costruiamo il circuito:

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Anche in questo caso i componenti a sinistra sono in serie mentre quelli a destra sono in parallelo. Proviamo a premere il pulsante di sinistra e subito dopo o contemporaneamente quello di destra. Notiamo immediatamente che i LED del circuito in serie hanno minore luminosità rispetto a quelli del circuito in parallelo. Questo perchè in questo caso tensione e corrente si comportano in modo differente a seconda della configurazione. Vediamo come.

LED in serie

Come prima cosa notiamo che nel circuito c'è una sola resistenza perchè la tensione media di funzionamento (VF) di ogni LED si somma mentre la corrente che scorre all'interno di tutto il circuito rimane la stessa. Vediamo ora come scegliere il valore della resistenza da inserire. Molto semplicemente applichiamo la formula già utilizzata nel caso di un solo LED moltiplicando solo il valore di VF per il numero di LED.

R = (VI - (VF*2)) / I = (5 - (2.2*2)) / 0.02 = 0.6 / 0.02 = 30 Ohm

Nel nostro circuito dovremo inserire una resistenza di 30 Ohm ma avendone per fini pratici mantenuta una di 220 Ohm calcoliamo quanta corrente passa in questo caso nel circuito:

I = (VI - (VF*2)) / R = (5 - (2.2*2)) / 220 = 0.6 / 220 = 0.0027A = 0.27mA

Passa dunque molta meno corrente rispetto all'esempio con un solo LED (0.27mA vs 12mA) e la luce è più fioca.

Se avessimo aggiunto un terzo LED chiudendo il circuito premendo il pulsante non sarebbe successo nulla perchè l'intero circuito è alimentato a 5v mentre la tensione richiesta da 3 LED in serie è di 6.6V (2.2*3): sviluppando il calcolo precedente vedremmo che non ci sarebbe abbastanza corrente per farli accendere.

LED in parallelo

La prima differenza che salta all'occhio rispetto al circuito in serie è la presenza di una resistenza per ogni LED. Il motivo è dato dal fatto che in questo caso non è la tensione media di funzionamento del singolo LED che si somma all'interno del circuito, bensì la corrente (ogni LED è collegato sia al nodo positivo che a quello negativo e ognuno assorbe la stessa corrente dall'alimentatore). Il calcolo per ottenere il valore della resistenza da usare è lo stesso di quello effettuato per il singolo LED, mentre per calcolare la corrente necessaria ad alimentare un certo numero di LED dobbiamo prima calcolare la resistenza totale del circuito:

Nel nostro caso per un singolo LED:

I = (VI - VF) / R = (5 - 2.2) / 220 = 2.8 / 220 = 0.012 = 12mA

per due LED in parallelo:

I = (VI - VF) / Rtot = (5 - 2.2) / (1/(1/220) + (1/220)) = 2.8 / (1/(0.0045+0.0045)) = 2.8 / (1/0,009) = 2.8 / 111 = 0,025A = 25mA

Sapendo che ad esempio il pin 3.3V può fornire corrente fino a un massimo di 50mA potremmo collegare a questa fonte di alimentazione fino a 4 LED (meglio 3 per non sovraccaricare troppo il circuito), mentre per il pin 5V è un po più complicato: sarebbero al massimo 500mA in uscita dallo stabilizzatore ma da questi vanno sottratti anche quelli eventualmente utilizzati dal pin 3.3V e dal microcontrollore (quanti Pins I/O sono collegati) oltre che a quelli utilizzati dalle altre componenti presenti sulla scheda.