Fabbricarsi le lucine di Natale

Il Natale è alle porte e, inevitabilmente, le case e i balconi si riempiono di decorazioni luminose di ogni sorta. Ma come funzionano queste lucine e, soprattutto, è possibile fabbricarsi in casa quei lunghi “nastri” luminosi? Naturalmente sì! Prima di tutto, analizziamo il più semplice tipo di circuito per l’illuminazione: una singola lucina alimentata da una batteria – non dall’alimentazione della rete domestica, per semplicità, ma il concetto è in parte analogo.

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Cortesia di CircuitLab

In questo caso specifico, la batteria fornisce una tensione (differenza di potenziale) da 9 volt in corrente continua; è, dunque, una di quelle a forma di parallelepipedo e con tutti e due i contatti posti ad una estremità. Probabilmente tutti noi ci siamo trovati ad averci a che fare almeno una volta.

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L’illuminazione nelle lucine natalizie è fornita ormai quasi esclusivamente tramite LED (Light Emitting Diode), ovvero un particolare diodo che emette luce quando è attraversato da una corrente elettrica. Li troviamo ormai quasi dovunque.

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Per chi non lo sapesse, un diodo è un componente elettronico che, grazie alla struttura particolare dei semiconduttori che lo compongono, è in grado di far passare la corrente elettrica solo in un verso. In questo caso, il LED è stato disposto in modo tale da non opporsi al passaggio della corrente elettrica proveniente dalla batteria; per comprenderlo meglio nello schema del circuito bisogna ricordare che, per convenzione, la corrente è definita positiva quando esce dal polo positivo della batteria e rientra in quello negativo. Di conseguenza, la freccia del diodo è rivolta in modo da non opporsi a questo passaggio – se così non fosse, non si accenderebbe un bel niente! Di conseguenza, un LED va montato nel verso giusto e, per non sbagliarsi, bisogna riferirsi alla sua specifica forma, che permette di distinguere l’anodo (+) dal catodo (-).

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Cortesia di Society of Robots

Sembra che ci sia tutto l’occorrente per avere luce (l’alimentazione, data dalla batteria, e l’effettiva emissione di luce, data dal LED)… invece nel circuito serve anche un terzo componente, un resistore. La ragione principale è che i diodi, e i LED in particolare, sono componenti piuttosto delicati; possono tollerare una certa corrente elettrica e, se questa cresce troppo, il componente si rompe. La massima corrente tollerabile è specificata dal produttore; in questo caso, selezionando un LED con numero di serie LTL-307EE della Lite-On Technology Corporation il datasheet fornisce il valore massimo di 30 mA in corrente continua. Sorge quindi spontanea una domanda: come sappiamo se la corrente fornita dalla batteria è eccessiva?

La prima legge di Ohm, che tendenzialmente si studia alle scuole superiori, afferma che, nei conduttori ohmici, la corrente elettrica che attraversa il conduttore è pari alla differenza di potenziale ai capi del conduttore divisa per la resistenza elettrica del conduttore: I = V/R. La corrente si misura in ampere (A), la differenza di potenziale in volt (V) e la resistenza elettrica in ohm (Ω).

In questo caso, la differenza di potenziale fornita dalla batteria (9 V) va a cadere sul LED e sul resistore. Ogni parte del circuito, inclusi il LED e i cavi di collegamento, ha una certa resistenza elettrica che va a “mangiarsi” una porzione dei 9 V della batteria; per la legge di Ohm, a parità di differenza di potenziale maggiore è il valore di resistenza, minore è la corrente che circola nel circuito. Dato che tanto il LED quanto i cavi e la batteria oppongono una resistenza elettrica molto ridotta, a 9 V la corrente che circolerebbe in mancanza del resistore sarebbe immensa (se, giusto per capirci, i LED, la batteria e i cavi messi assieme avessero una resistenza di 0.1 Ω, per la legge di Ohm la corrente sarebbe pari a 9 V/0.1 Ω = 90 A… 3000 volte il valore limite di 30 mA!). Per evitare ciò e far circolare una corrente corretta nel circuito, bisogna ricorrere ad un componente sviluppato appositamente per opporre resistenza elettrica, ovvero un resistore. Scegliendo, ad esempio, un resistore da 320 Ω (e trascurando la piccola resistenza di cavi, LED e batteria) si ha che la corrente scende finalmente a 9 V/320 Ω = 28 mA, quindi sotto la soglia limite di 30 mA. Ecco perché il resistore non va mai dimenticato!

A questo punto siamo riusciti a far accendere il nostro LED di una bella luce vivace, ma quale albero di Natale è addobbato da una sola luce??? Naturalmente vogliamo espanderci e aggiungere altri LED. Il modo più semplice è collegarli in serie, ovviamente sempre rispettando la polarità.

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Cortesia di CircuitLab

Ebbene, siamo riusciti ad avere la nostra bella serie di 4 LED ma… accidenti, la luce è molto più fioca di prima! La ragione è che, come dicevamo, la resistenza elettrica del singolo LED è piuttosto limitata in confronto a quella del resistore ma, mettendo insieme più LED, le singole resistenze si sommano e, alla fine, la corrente che circola nel circuito è scesa di parecchio. Bisogna quindi ricordarsi di sostituire il resistore con un “collega” dalla resistenza inferiore, sempre rispettando il vincolo dei 30 mA di corrente.

Buon luminoso Natale a tutti!

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