Robotica educativa/Le basi dell'elettronica

Introduzione

Robotica con Arduino

Primi passi nella robotica

Dell'elettronica è importante conoscere soltanto tre cose: la Legge di Ohm, i Principi di Kirchhoff ai nodi e alle maglie e – naturalmente – il concetto di resistenze elettriche in serie e in parallelo.

Legge di Ohm

La Legge di Ohm recita che la tensione $V$ (si misura in Volt simbolo ${\text{V}}$ ) è pari alla resistenza $R$ (si misura in Ohm simbolo $\Omega$ ) moltiplicata per l'intensità di corrente $I$ (si misura in Ampere simbolo ${\text{A}}$ ). Pertanto si ha:

$V=R\cdot I\quad ;\quad R={\frac {V}{I}}\quad ;\quad I={\frac {V}{R}}$ .

Primo principio di Kirchhoff

Il primo principio di Kirchhoff (noto anche come legge di Kirchhoff applicata ai nodi) dice che la somma algebrica delle correnti in un nodo è nulla. Più semplicemente: la somma delle correnti entranti in un nodo è pari alla somma delle correnti uscenti dal nodo stesso, come mostrato in figura.

$\overbrace {\sum _{i=1}^{n}I_{i}} ^{\text{entranti}}=\overbrace {\sum _{k=1}^{m}I_{k}} ^{\text{uscenti}}$ ,

nel caso specifico di figura, si ottiene:

$I_{2}+I_{3}=I_{1}+I_{4}$ .

Secondo principio di Kirchhoff

Il secondo principio di Kirchhoff (noto anche come legge di Kirchhoff applicata alle maglie) dice che la somma algebrica delle cadute di tensione in una maglia è nulla. Più semplicemente: in una maglia, la somma delle tensioni generate è pari alla somma delle cadute di tensione, come mostrato in figura.

$\overbrace {\sum _{i=1}^{n}V_{i}} ^{\text{generatori}}=\overbrace {\sum _{k=1}^{m}V_{k}} ^{\text{carichi}}$ ,

nel caso specifico di figura, si ottiene:

$V_{4}=V_{1}+V_{2}+V_{3}$ .

Resistenze in serie

Due, o più, resistenze si dicono in serie quando sono attraversate dalla stessa corrente. In questo caso, la resistenza equivalente è pari alla loro somma:

$R_{eq}=\sum _{i=1}^{n}R_{i}=R_{1}+R_{2}+R_{3}+\dots +R_{n}$ .

Se le resistenze sono tutte uguali, si ha:

$R_{eq}=\sum _{i=1}^{n}R=R+R+R+\dots +R=nR$ .

Resistenze in parallelo

Due, o più, resistenze si dicono in parallelo quando sono sottoposte alla stessa tensione. In questo caso, l'inverso della resistenza equivalente è pari alla somma dell'inverso di tutte le resistenze:

${\frac {1}{R_{eq}}}=\sum _{1=1}^{n}{\frac {1}{R_{i}}}={\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}+{\frac {1}{R_{3}}}+\dots +{\frac {1}{R_{n}}}$ ;

pertanto, la resistenza equivalente è pari a:

$R_{eq}={\frac {1}{\sum _{1=1}^{n}{\frac {1}{R_{i}}}}}={\frac {1}{{\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}+{\frac {1}{R_{3}}}+\dots +{\frac {1}{R_{n}}}}}$ .

Se le resistenze sono tutte uguali, si ha:

$R_{eq}={\frac {1}{\sum _{1=1}^{n}{\frac {1}{R}}}}={\frac {1}{{\frac {1}{R}}+{\frac {1}{R}}+{\frac {1}{R}}+\dots +{\frac {1}{R}}}}={\frac {1}{\frac {n}{R}}}={\frac {R}{n}}$ .

Infine, un caso di interesse, è quando le resistenze in parallelo sono soltanto due. In questo caso la formula si semplifica notevolmente, diventando il prodotto diviso la somma dei valori delle resistenze:

$R_{eq}={\frac {1}{{\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}}}={\frac {1}{\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}\cdot R_{2}}}}={\frac {R_{1}\cdot R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}$ .

Da non dimenticare mai

Arduino è un microcontrollore, pertanto opera a bassissimi livelli di potenza. Non può alimentare il motore di una betoniera, per capirci, ma nemmeno motori di piccole dimensioni.

Le sue caratteristiche sono le seguenti:

Alimentazione $5~{\text{V}}$
Corrente erogabile da un singolo pin $40~{\text{mA}}$
Corrente erogabile globalmente $200~{\text{mA}}$

Nel caso frequente in cui servisse più corrente (o potenza $P=V\cdot I$ e la potenza massima è pari a $P_{MAX}=5~{\text{V}}\cdot 200~{\text{mA}}=1~{\text{W}}$ ) questa va reperita altrove.

Il metodo più semplice è utilizzare una fonte di energia esterna. Non le comuni pile alcaline da $1,5~{\text{V}}$ o $9~{\text{V}}$ che durano dalla sera alla mattina. Ma batterie agli ioni di litio (tra l'altro, ricaricabili), simili a quelle dei cellulari o laptop. Molte si presentano come le comuni pile alcaline, ma – oltre a essere ricaricabili – possono alimentare dispositivi che richiedono potenze molto maggiori.

Così facendo, Arduino controllerà ingressi e uscite, ma sia lui, sia i sensori come gli attuatori, verranno alimentati da una sorgente di energia esterna.

Altra cosa estremamente importante è la polarità dell'alimentazione. Il terminale positivo e il terminale negativo (che per essere distinti si utilizzerà sempre il colore rosso per il positivo e nero per il negativo) non vanno mai invertiti: è un metodo quasi infallibile per danneggiare – spesso irreparabilmente – i componenti elettronici.

Ultima nota molto importante: le batterie agli ioni di litio hanno correnti di spunto (pari a circa venti volte la corrente massima erogabile, ma presente per piccole frazioni di secondo, che può generarsi in caso di cortocircuiti) pari anche a $600~{\text{A}}$ , tale sciogliere le guarnizioni plastiche e infiammare eventuali contenitori plastici. Il consiglio, pertanto, è scollegare le alimentazioni quando le batterie non vengono utilizzate.

Sensori

I sensori (i fisici li chiamerebbero trasduttori) sono componenti che convertono grandezze fisiche in grandezze elettriche. Perché lo fanno? Perché la grandezza elettrica è strategica. Può essere misurata; memorizzata; elaborata; modificata... con i soli limiti della fantasia. In poche parole: tutto quello che con una generica grandezza fisica è di difficile analisi, con una grandezza elettrica diventa più semplice.

Nel caso di microcontrollori come Arduino, vi è un secondo vantaggio: questi sono equipaggiati con una logica di controllo che consente di fornire dati già trattati. Per esempio, un sensore di temperatura fornirà la temperatura nelle diverse scale termometriche senza dover operare conversioni.

Pertanto, di volta, in volta che verranno incontrati, verranno descritti nel dettaglio, così da non appesantire la trattazione iniziale.

Attuatori

Gli attuatori, solo il reciproco dei sensori: data una grandezza elettrica ne generano una fisica. Si dividono in due categorie a seconda della potenza in gioco.

I microcontrollori come Arduino gestiscono potenze molto basse, ma possono comandare dispositivi che – a loro volta – gestiscono tensioni di rete o anche più alte. Così facendo, tramite l'osservazione dell'ambiente circostante si può realizzare una casa domotica con un minimo sforzo.

Pertanto, accendere e spegnere un LED può apparire come un esercizio per principianti, ma se si pensa al LED come a qualcosa di differente si comprendono le potenzialità del controllore. Passare dal LED al termosifone di casa (a livello di logica di controllo) è perfettamente trasparente.

Diodi LED

Il diodo LED è il più semplice componente elettrico che può emettere luce.

Si presenta con due terminali: anodo (collegato alla tensione positiva) e catodo (collegato a massa). Per distinguerli l'anodo è leggermente più lungo. La corrente circola solo nel da anodo a catodo, non viceversa: questa è la caratteristica principale di tutti i diodi. I diodi LED, in particolare, emettono luce quando attraversati da corrente che fluisce da anodo a catodo.

L'unica precauzione è collegarlo in serie con una resistenza con un valore che oscilli dai $200~\Omega$ a $1~{\text{k}}\Omega$ . Maggiore sarà la resistenza, maggiore sarà la sua durata media, a scapito della luminosità. Minore sarà la resistenza, maggiore sarà la sua luminosità, a scapito della sua durata media. In assenza di questa resistenza, la corrente che vi circolerà sarà troppo alta e il LED passerà a miglior vita.

I diodi LED emettono ogni sorta di colore, ma anche infrarosso e ultravioletto: questi ultimi non generano luce visibile ma sono utilizzati nei telecomandi. Per vederli è sufficiente premere un tasto a caso del telecomando e fotografarlo. Il nostro occhio non vede la sua luce, ma la fotocamera sì.

Infine, esistono anche diodi laser, da maneggiare con estrema attenzione e solo sotto la supervisione di un esperto. Sopra pochi millesimi di Watt sono accecanti, anche se dovessero colpire gli occhi a palpebre chiuse.