La legge di Ohm e l'alimentazione dei circuiti

International Italiano Hardware
1

Buonasera mi scuso subito per la mia ignoranza e facendo una ricerca nel sito con la funzione di ricerca non sono riuscito a trovare risposta. Premetto che sono soprattutto un informatico con pochi concetti relativi all'elettrotecnica. Ho dei dubbi atroci sulla legge di Ohm e sull'alimentazione dei circuiti.

La prima domanda è questa:
la legge di Ohm dice che V=RxI. quindi I = V/R. Se ho una tensione di 5V ed una resistenza di 1 Ohm dovrei avere una I= 5 A e (infatti provando su Tinkercad è proprio così). Questo, però, so non essere vero perchè ad esempio i Pin digitali di Arduino a 5V erogano al massimo 40 mA. Mi sembra anche ovvio che nel caso di resistenza pari a 0 la divisione per 0 tenderebbe ad una intensità di corrente infinita, cosa ovviamente è assurda. Mi viene da pensare che avvicinandosi ai casi limite con r che tende a zero la relazione non sia più proporzionale.

Seconda domanda:
Se ho un circuito alimentato con i 5V di Arduino che ha un led in serie (blu) e una resistenza di 220 Ohm la tensione non dovrebbe rimanere costante? Ovvero se con un multimetro misuro la tensione ai capi del circuito non dovrebbe essere di 5V? Invece la misurazione mi riporta 4,8 V.
Peggio ancora se utilizzo un pin digitale, in quel caso la tensione del circuito scende a 4,5V.
Se ho capito bene dipende dai carichi ma non afferro bene la motivazione. Pensavo che la tensione in un circuito restasse costante ovvero che la somma delle cadute di tensione sui singoli componenti fosse uguale alla tensione di alimentazione. Anche questo principio l'ho verificato con Tinkercad utilizzando però una pila da 9V , 3 led una resistenza ed un motore DC. (ma Tinkercad funziona bene?)

Terza domanda:
I led hanno una resistenza fissa? Per fare una prova ho alimentato un circuito con led e resistenza 220 Ohm con il pin 3,3V di Arduino e ho calcolato prima la resistenza totale e poi quella del led sottraendo quella del resistore. Poi ho tolto il resistore e mi sarei aspettato che la resistenza totale corrispondesse a quella del led precedentemente calcolata con il resistore in serie ma i valori non combaciano utilizzando la legge di Ohm.

Sono consapevole di avere enormi lacune, ma ho necessità di dare spiegazioni chiare ai miei studenti che stanno utilizzando un Kit student a testa per fare problem solving e programmazione.

Vi starete chiedendo come mai uno che non ne capisce di elettronica stia insegnando Arduino ma il percorso scolastico non è quello di un elettronico ed io insegno Matematica, Linguaggi di programmazione e Problem solving. :slight_smile:

Ovviamente non pretendo che mi possiate spiegare tutto qui ma mi basterebbe un indirizzamento su che strada percorrere per la comprensione. In rete non trovo niente che mi dia spiegazioni esaustive e chiare. Consigli?

Vi ringrazio anticipatamente per la risposta.

Buona notte

2

Inizio da questa domanda per semplificare la risposta. Si è corretto quello che dici, tuttavia c'è da considerare la differenza tra circuiti ideali e quelli reali. Un generatore di tensione ideale può erogare qualunque corrente, cioè 1A, 2A, 100A, e la tensione sarà sempre la stessa. Il generatore non ideale, cioè quello reale non si comporta come quello ideale dove non ci sono componenti parassite. Anche un cavo ha una sua resistenza per metro. Quindi visto la matematica è la tua materia non avrai difficoltà ad disegnare il circuito equivalente di un generatore reale, basta aggiungere in serie una resistenza di valore tale di modo che ai capi di questa cada una d.d.p di 5.0-4.8 = 0.2, cioè 10 ohm se I = 0.02A (20mA), V/I = 0.2V x 0.02A = 10.

Stessa considerazione per i pin di uscita, la massima corrente teorica specificata nel datasheet è appunto 40mA, superata questa corrente, il circuito interno si guasta e il pin non è più utilizzabile (se sei fortunato).
Appunto se collegassi la resistenza da 1 ohm tra pin e GND superi i 40mA e si guasta. Anche il circuito interno è afflitto da componenti non ideali.

Qui un link che può chiarirti le idee.

Dimenticavo il simulatore online che ho scoperto oggi.

Se non dovesse bastare, un qualunque libro di elettronica per le superiori spiega bene i circuiti equivalenti. comportamento ideale, ecc.

Certamente dovrai trovare un modo semplificato per spiegare cose complesse come queste.

Ciao.

1 Like
3

transistor
Domanda 2
Considera questo schema che corrisponde, più o meno, ad un pin d'uscita di arduino.
Quando il transistor conduce si comporta come un interruttore collegando tra loro collettore e emettitore (su Vout avremo 0V).
Quando il transistor non conduce su Vout avremo la tensione di alimentazione detratta la caduta di tensione sulla resistenza. Quindi non potrai avere mai la tensione di alimentazione in uscita.
Lo stesso discorso vale anche con i fet/mosfet.
Domanda 3
I led sono dei semiconduttori e non si comportano in modo lineare.
Vanno alimentati a corrente costante e con il calore variano la corrente circolante. Per questo viene usata una resistenza per compensare queste variazioni.
Se cercchi il datasheet di un led e cerchi la curva tensione/corrente vedrai che non è una retta e piccole variazioni di tensione provocano un passaggio di correnti alte provocandone la rottura.

Sono stato generico ma spero di aver chiarito le idee.
Se cerchi in rete proverai moltissime spiegazioni al riguardo.

1 Like
4

Prova a cercare su Google "imparare l'elettronica partendo da zero". Non so se può fare al tuo caso. Vedi tu.

Ciao,
P.

5

In realtà, le uscite cmos (complementary mos) di Arduino hanno, appunto, due mosfet: uno verso il positivo e l'altro verso massa. C'è, comunque, una resistenza in serie. Inoltre, l'atmega328p resiste bene ai sovraccarichi ed è protetto, quindi molto idoneo all'uso didattico.

1 Like
6

Questo lo sapevo ma non posso essere troppo tecnico nelle spiegazioni a chi non conosce l'elettronica.

7

Ciao, cerco di darti una visione, semplificata, che però potrebbe essere "spacciata" ai tuoi studenti almeno in prima battuta.

La legge di ohm è corretta e non ha eccezioni strane, se nella pratica rilevi risultati differenti dalla teoria è perchè interviene qualche altro fattore.
Il fatto che i pin di Arduino erogano al massimo 40mA non significa che non ne possono erogare di più, ma che quello è il limite fisico da non superare perchè altrimenti si rischia di danneggiare Arduino. Se dimensioni la tua resistenza per fargli erogare 50mA, avrai 50mA, ma potresti averli per poco tempo, cioè fino a che il microprocessore non avrà raggiunto temperature tali da fondere qualcosa.

"Nel caso di resistenza pari a zero"... non puoi mai avere resistenza pari a zero, perchè ogni corpo, che sia conduttore o meno, ha una certa resistenza, anche i superconduttori, piccolissima, ma ce l'hanno.
Quindi la divisione per zero, nella pratica non esiste.
Quello che esiste è la possibilità che con una resistenza piccolissima, la corrente sia estremamente elevata.
La resistenza converte l'energia in calore per l'effetto joule.
Quindi più energia dissipa e più scalda fino a raggiungere il suo limite fisico e anche lei si rompe.
Tutti i cavi elettrici, in base alla loro sezione, possono sostenere una certa intensità di corrente, oltre la quale si danneggiano proprio a causa del calore, sezioni piccole, con picchi di corrente elevate, vaporizzano proprio, lasciando solo un po' di nero.

In teoria si, ma come ti hanno già spiegato, può dipendere dalla circuiteria interna.
Nei circuiti digitali, quando si parla di segnali, si fornisce sempre un range di tensioni corrispondenti ai valori 1 e 0 e non dei valori precisi, appunto per tenere conto di queste diferenze.
Ad es. quando si usa un transistor o un mosfet come interruttore per portare alta o bassa l'uscita, si ha sempre una piccola caduta di tenzione su questo componente, in genere qualche decimo di V ma c'è. Se poi nel mezzo c'è anche una resistenza, la cosa diventa anche proporzionale alla corrente.
Comunque, il concetto è che in elettronica digitale non si ragiona mai su valori precisi ma su soglie.
Ad es. i livelli logici TTL sono:

Lo hai sperimentato su tinkercat e va bene, ma se lo fai nella pratica, con le pile potresti avere qualche piccola sorpresa, infatti, se gli fai erogare più corrente di quella che riesce fisicamente ad erogare, lei abbassa la tensione ai suoi capi, appunto per continuare a rispettare la legge di ohm erogando la corrente che riesce.

Resistenza NO, tensione, in prima approssimazione potremmo anche dire di si, poi nella pratica è soggetta a variazioni che dipendono da vari fattori che sono descritti nei vari datasheet dei vari produttori di led, ma in genere, quando si lavora con i led, si assumono, per semplicità, valori fissi che tipicamente dipendono dal colore del led e in base a quelli si dimensiona il circuito.
C'è sempre una dipendenza dalla corrente, ma in genere la si può tendenzialmente trascurare, nelle applicazioni tipiche, perchè poco influente.
Qui, un link a caso che descrive la cosa e mostra la curva che relazione tensione e corrente oltre ai valori tipici per "colore".

Come vedi dalla prima curva, se non metti una resistenza ma alimenti con una tensione più elevata di quella tipica, potresti avere correnti molto elevate, per questo serve sempre una resistenza in serie ai led.
Per darti un'idea, ai tempi della scuola, anni '90, con i led rossi dell'epoca, se li alimentavi con una normale batteria da 9V senza la resistenza che ne limitava la corrente, letteralmente esplodevano facendo partire la sommità curva dell'involucro, come se fossero dei proiettili.
Se abbassavi un po' la tensione, semplicemente si bruciavano senza dare segni così evidenti.

Spero di averti dato degli spunti utili.
Ovviamente sono tutte delle approssimazioni da prendere con le pinze, ma per una spiegazione rapida iniziale potrebbero andar bene.

Maurizio

1 Like
8

buongiorno Socio, bentornato

per completare il tuo discorso:
tanto tanto tempo fa, in una città lontana lontana...

insomma tre o quattro lavori fa,
quando ero da $cartelloni: azienda che faceva tra le altre cose cartellonistica e insegne (No, se pensate sia la stessa che aveva fatto il display in centro a Legnano con un Amiga come sorgente grafica del quale si parlava anni fa, non è quella)

$Cartelloni aveva il grave problema che spesso si guastavano i LED, i LED rossi messi a matrice per le scritte scorrevoli
e volendo fare un mega timer per la fine del millennio (31/12/1999, ignorando beatamente che il secolo ed il millennio finivano il 31/12/2000) da mettere in piazza, la figura di "palta" era assicurata

il $upertecnico era molto preoccupato, dato che collaudava personalmente tutti i LED, e già così ne scartava oltre la metà, teneva solo quelli che si accendevano e restavano accesi, quelli che non si accendevano o che "morivano subito" li scartava, imprecando contro il fornitore ladro

quando sono andato a vedere come faceva ho avuto conferma dei miei sospetti: pila da 4,5V e diodo coi piedini larghi poggiato sopra

resistenza? ma cosa dici? altrimenti non fa luce, fidati!

considerato che avrei dovuto essere io il responsabile tecnico
e che la proprietà mi ha detto "lui è qui da molto, Lui sa cosa fa, di LUI ci fidiamo"...
ho preferito cambiare aria, al volo

mai discutere con certa gente....

tornando a noi, Socio, come stai?

2 Likes
9

Molto felice di sentirti, Socio.
Certo che tu attiri questi $upereroi come gli orsi con il miele, o gli squali con il sangue ...

Sempre a scuola, dopo aver giocato a spararci addosso con i led rossi, ci si accendeva le sigarette con le resistenze sottocalibrate. Diventavano belle rosse e roventi, ma poi restavano più o meno della stessa resistenza, stranamente.
Se hai mantenuto i contatti con il tuo $upercollega, puoi segnararglielo come test per le resistenze. Se accendono bene la sigaretta, le tiene, altrimenti le butta.

Tu, tutto bene?
Io a parte la latitanza causa azzeramento del tempo libero da dedicare ad Arduino, si.

Maurizio

P.S.
Eggià... vero... l'anno ZERO non esiste!!!

1 Like
10

This topic was automatically closed 180 days after the last reply. New replies are no longer allowed.