L’elettronica è oggi, più che mai, un argomento molto attuale e i bambini sono già pronti per apprendere le nozioni base di questo affascinante e indispensabile settore della tecnologia. Ecco un corso di elettronica di base dedicato ai bambini che potrà fornire le prime nozioni fondamentali e accrescere la passione in modo semplice e divertente.

L’elettronica di oggi è programmabile

L’elettronica di oggi è molto diversa dall’elettronica di ieri. I giovani d’oggi sono certamente più avvantaggiati nell’apprendere le nuove concezioni dell’elettronica moderna. Essa, infatti, è alquanto diversa da quella di un tempo e ci sono diverse motivazioni che distinguono tale realtà, ma la principale sta nella possibilità della programmazione dei comportamenti dei circuiti elettronici. La possibilità della programmazione automatica dei circuiti è oggi un valore aggiunto che prima non esisteva. Oggi un complesso sistema composto da automatismi, segnalatori e sensori può essere realizzato utilizzando solamente un piccolissimo microcontrollore, a differenza del passato, che necessitava la presenza di circuiti enormi, con migliaia di componenti elettronici. Oggi le capacità logiche dei giovani si avvicinano molto al comportamento dei sistemi automatici e per tale motivo essi sono molto avvantaggiati. Basti pensare che le scuole moderne mettono a disposizione dei ragazzi molte ore di apprendimento delle nuove metodologie legate, ad esempio, al Coding, che apprendono in modo molto naturale, grazie al loro contatto con i sistemi digitali già dalla tenera età. Per esempio, SAM Labs (vedi in figura 1) è una risorsa di codifica unica nel suo genere ed essa include un innovativo software di codifica, l’hardware connesso tramite Bluetooth di facile utilizzo, una suite di lezioni allineate agli standard e guida e supporto illimitati. Si tratta di una soluzione moderna per l’insegnamento di STEAM e Coding. Essa è molto intuitiva e semplice, favorisce la fiducia degli studenti e la loro collaborazione, aiuta a sviluppare la creatività e il pensiero critico e consente la realizzazione di applicazioni del mondo reale. Con tale piattaforma gli studenti possono creare sistemi complessi in maniera facile e divertente, con la codifica drag-and-drop basati su blocchi di SAM Studio e i nuovi progetti possono muoversi, illuminarsi e interagire con l’ambiente, grazie ai blocchi SAM connessi tramite Bluetooth. Il metodo consente agli studenti di creare e imparare in modo semplice e veloce, introducendo i concetti fin dalla tenera età, con delle soluzioni di codifica e prototipazione. I bambini imparano concetti scientifici senza rendersene conto. Il corso Maker Specialty, per esempio, consente agli educatori K-8 di supportare i propri studenti con l’apprendimento, l’esplorazione e la creazione di prototipi basati sulle varie attività.

L’azienda mette a disposizione diversi kit, ognuno dei quali segue un preciso scopo ed è dedicato a un determinato livello di preparazione e di difficoltà. I ragazzi possono utilizzare e programmare, per esempio, dei blocchetti interattivi per poter svolgere alcune attività. Tramite il coding è possibile programmare l’insieme di azioni che gli oggetti devono eseguire. In pratica si tratta di piccoli blocchetti programmabili, compatibili con LEGO, che si connettono tramite bluetooth e possono essere programmati con il proprio dispositivo, computer o tablet. Ogni blocco è alimentato da una batteria ricaricabile con porta micro USB. I blocchetti sono contenuti in un involucro di gomma e sono molto resistenti agli urti accidentali. I blocchetti funzionano in modalità wireless e non hanno bisogno di toccarsi tra loro o essere collegati con dei fili elettrici, e quelli non utilizzati si pongono in stand by per permettere una durata media della lezione di circa una settimana.

I bambini e l’elettronica

L’interesse per l’elettronica comincia, ovviamente non per tutti, già alla tenera età di 6-7 anni. Molti bambini sono affascinati dal vedere lampade che lampeggiano, motori che girano e dispositivi che emettono suoni. Proprio per questo essi, dopo aver giocato qualche minuto con il loro giocattolo preferito, passano alla fase successiva del divertimento, ossia quello del suo smontaggio, proprio per scoprire come esso sia fatto all’interno. I bambini di oggi hanno l’elettronica nel sangue. Per essi è molto semplice e naturale lavorare con un telefono cellulare o un telecomando. In questo articolo, e in quelli che seguiranno, saranno trattati argomenti molto semplici dell’elettronica in completa sicurezza. I circuiti elettrici potranno essere ben compresi sia seguendo solo la teoria oppure realizzando praticamente i collegamenti con veri componenti elettronici, tutti di facile reperibilità. I bambini potranno richiedere l’aiuto anche del proprio genitore o fratello o sorella maggiore, se lo desiderano. Piccoli e semplici esperimenti potranno accendere la passione del bambino, pur operando nel divertimento e nella sicurezza. Naturalmente occorreranno alcuni strumenti e componenti per poter iniziare a eseguire i montaggi elettronici (vedi in figura 2). I più importanti sono riportati nel seguente elenco:

• alcuni componenti elettronici (resistori, diodi Led, lampadine, condensatori, interruttori, ecc) I vari valori saranno richiesti al momento di ogni singolo esperimento;
• cavetti unipolari dotati di pinze a coccodrilli, per poter effettuare facilmente le connessioni;
• pile da 4.5V piatte;
• un semplice tester.

Il circuito elettrico

Per comprendere alcuni tasselli fondamentali dell’elettronica è indispensabile approcciare una minima teoria che sta alla base dei circuiti elettrici. La corrente elettrica, infatti, è un flusso di elettroni che viaggia da un polo del generatore (pila o batteria) all’altro polo, in un vortice infinito. Un circuito elettrico è un collegamento fisico tra un generatore, i conduttori elettrici e un utilizzatore (carico). Per assicurare il passaggio circolare degli elettroni sono indispensabili alcune condizioni:

• il generatore deve produrre una quantità sufficiente di elettroni;
• il carico deve essere funzionante e non interrotto;
• i fili elettrici devono essere buoni conduttori di corrente, solitamente di metallo (di rame o di alluminio).

Gli elettroni, infatti, prediligono il metallo per poter procedere nella loro strada. Per capire meglio il concetto di circuito elettrico esso può essere paragonato a un sistema idraulico, come quello visualizzato in figura 3. Il confronto tra la corrente elettrica e l’acqua, infatti, rende molto semplice il concetto e le leggi che governano i due elementi sono abbastanza simili.

Nel diagramma si nota la presenza di alcuni elementi:

• un generatore di tensione, che permette il movimento degli elettroni nel circuito;
• un carico (lampada, Led, motore);
• un resistore che limita il passaggio degli elettroni;
• i cavi elettrici.

Se si scollega uno solo di questi elementi, non vi è più il passaggio di elettroni e il circuito si apre.

Accendere un diodo Led

Il diodo LED (Light Emitting Diode) è un dispositivo che riesce a produrre fotoni (luce) facendo scorrere su di esso una certa quantità di elettroni. Il concetto di corrente non è casuale e tutti i parametri devono essere calcolati con alcune semplici formule matematiche. L’esperimento che segue non è pericoloso e introduce alcuni concetti basilari dell’elettronica:

• la corretta polarità della tensione elettrica;
• la limitazione della corrente;
• la continuità del circuito.

Procuriamo, dunque, i seguenti materiali:

• una pila piatta da 4.5 Volt;
• un resistore da 180 ohm;
• un diodo Led di colore rosso;
• tre cavetti di collegamento con i coccodrilli.

Come si vede nello schema precedente, si effettuino i seguenti collegamenti:

• si colleghi il cavetto di colore rosso tra il polo positivo della pila e un capo del resistore (quest’ultimo non è polarizzato);
• si colleghi il cavetto di colore arancione tra l’altro capo del resistore e l’anodo del diodo Led (esso si può riconoscere dalla parte arrotondata della base del corpo);
• si colleghi il cavetto di colore nero tra il catodo del diodo Led (esso si può riconoscere dalla parte piatta della base del corpo) e il polo negativo della pila.

Se i collegamenti sono stati effettuati senza errori, il diodo Led si accende subito con una normale luminosità. Se si inverte il verso della pila oppure del diodo Led, esso non può illuminarsi. Adesso si elimini il resistore e si uniscano tra loro i due fili rimasti liberi. La rimozione di tale componente causa un flusso enorme di elettroni verso il Led, senza alcuna limitazione. Alimentando il circuito, in pratica, si causa la bruciatura del diodo Led, che può essere gettato via. Nelle prossime puntate si scoprirà come scegliere il corretto valore della resistenza. Questa prima prova ha lo scopo di iniziare un approccio graduale con la corrente elettrica e capire il verso del flusso degli elettroni. Il sistema è perfettamente compatibile con quello dell’acqua, quindi si può immaginare il percorso seguito dagli elettroni come l’equivalente di un circuito idraulico composto da tubi, giunti, strettoie ed altri elementi.

Come accendere due diodi Led

Il passo successivo da compiere è quello che prevede l’accensione di due o più diodi Led. In effetti essa è un’operazione molto facile ma per eseguirla correttamente occorre rispettare diverse regole. Le soluzioni da seguire possono essere diverse. Andiamo, dunque, a scoprire le corrette modalità per illuminare, negli esempi che seguono, due diodi Led. Non considerando la soluzione banale che prevede l’uso di due pile, due resistori e due diodi Led, le alternative valide sono le seguenti:

• diodi Led collegati in parallelo;
• diodi Led collegati in serie.

I due metodi decidono il modo con cui la corrente elettrica viaggia all’interno del circuito, proprio come una rete idrica (vedi le due soluzioni in figura 4). Cerchiamo di comprendere il funzionamento dei due metodi. I calcoli dei vari componenti saranno esaminati in una delle puntate successive.

Entrambi i circuiti hanno lo scopo di illuminare i due diodi Led, ma la modalità avviene in modo differente. Vediamo come. Nel circuito a sinistra (in parallelo) il flusso di elettroni che esce dalla pila prende, casualmente, due strade diverse, senza una regola specifica:

• un flusso segue la prima strada, quella che alimenta il resistore R1 e il diodo Led D1;
• un altro flusso segue la seconda strada, quella che alimenta il resistore R2 e il diodo Led D2.

Dopo i diodi, le due correnti si ritrovano insieme sulla stessa strada della massa, per ritornare alla pila e iniziare nuovamente lo stesso percorso. Nel circuito a destra (in serie) il flusso di elettroni che esce dalla pila attraversa il resistore R3, il diodo Led D3 e poi il diodo Led D4, in sequenza. In entrambi gli esempi, i diodi si illuminano normalmente, quello che cambia è la tipologia di circuito. Il lettore noti solo, al momento, che nel primo esempio i resistori R1 e R2 hanno il valore di 180 Ohm, mentre nel secondo esempio il resistore R3 ha il valore di soli 47 Ohm. E’ sufficiente sapere, per il momento, che minore è il valore del resistore e più è grande il flusso di elettroni che passa dal circuito. Quello che, adesso, è importante capire è la necessità della circolazione degli elettroni nel circuito. In particolare:

• se tutti i componenti del circuito sono correttamente collegati, esso funziona correttamente e si ha il “circuito chiuso”;
• se almeno un componente del circuito è scollegato o è difettoso, esso non funziona correttamente e si ha il “circuito aperto”.

Gli elettroni si muovono solo in un senso, per convenzione dal polo positivo verso il polo negativo. Qualsiasi interruzione interrompe questo flusso che, nella realtà, è estremamente veloce. Essi, infatti, percorrono circa 300,000 chilometri in un solo secondo. Il simbolo di massa (o terra) indica che su tale ramo elettrico vi è una tensione di 0 V. Nel circuito in parallelo i due rami sono completamente indipendenti tra loro. Se scolleghiamo un resistore (per esempio R1) o un diodo (per esempio D1) o, addirittura, invertiamo la sua polarità montandolo al contrario, l’altro ramo continuerà a funzionare senza problemi. Nel circuito in serie, invece non è così. I due diodi Led dipendono dalla stessa corrente, per cui è sufficiente togliere il resistore R3 o uno dei due diodi Led (D3 o D4) per interrompere il funzionamento del circuito. Solitamente le luci che illuminano l’albero di natale sono collegate in serie. E’ sufficiente che una sola lampadina si bruci per rendere inutilizzabile tutto l’intero circuito.

Esercitazione

Con l’aiuto del proprio genitore si provi, adesso, a realizzare il prototipo di un semaforo stradale, visualizzato in figura 5. Si tratta di un circuito composto da tre diodi Led collegati in parallelo con le relative resistenze da 180 Ohm per ogni ramo. A differenza dei precedenti schemi elettrici, in questo si nota la presenza di tre interruttori, che consentono di accendere e spegnere ogni diodo Led in maniera indipendente. I colori dei tre diodi Led dovranno essere, ovviamente, il rosso, il giallo e il verde. L’assemblaggio è molto semplice e l’aspetto più interessante è dato dal fatto che i giocattoli possono essere costruiti da sé in casa, per un divertimento assicurato. Se poi l’aspetto estetico finale è curato e di ottima qualità, il risultato raggiunto sarà ancora migliore.

Conclusioni

E’ importante non solo leggere attentamente l’articolo ma, soprattutto, applicare praticamente i concetti acquisiti con la realizzazione pratica dei vari circuiti elettrici ed elettronici, anche sbagliando e riprovando. Si consiglia, inoltre, di eseguire i vari esperimenti alla presenza del proprio genitore, anche se i circuiti non sono per nulla pericolosi.

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