Circuiti elettrici: cosa sono e come si stanno evolvendo

I circuiti elettrici sono un insieme di dispositivi e cavi tecnicamente assemblati, connessi a un generatore di tensione in modo da condurre energia elettrica, distribuirla ed erogarla fra le varie componenti: nella loro forma tradizionale sono le unità di base su cui lavorano discipline stem come ingegneria elettrica ed elettronica, tuttavia, da tempo, stanno subendo un'evoluzione tecnologica.

Cambiamenti che riguardano soprattutto l'integrazione con le rinnovabili e fonti energetiche alternative; ma anche con tecnologie IoT e AI.

Gli ingegneri di oggi devono non solo conoscere tutto ciò che riguarda i circuiti elettrici tradizionali, ma anche il modo per rendere i consumi elettrici sostenibili e i vari meccanismi tecnologici per adattarli a un'economia green.

Parliamo dunque di sistemi come reti elettriche intelligenti e celle a combustibile, con l'ausilio di infrastrutture informatiche progettate per il monitoraggio da remoto delle spese energetiche, con dati resi interrogabili da strumenti di intelligenza artificiale e tecnologie di elaborazione del linguaggio naturale (NLP).

Attiva nella formazione professionale da anni, Mekhan offre, insieme ai suoi partner Gunt e LN, strumenti laboratoriali per una didattica basata sul learning by doing. La formazione è rivolta a settori stem come l'ingegneria elettrica, con un'attenzione particolare per le moderne integrazioni tecnologiche.

In quest'articolo scopriremo cosa sono e come funzionano i circuiti elettrici tradizionali, indagando anche sulla loro evoluzione nel tempo.

Circuiti elettrici: come sono nati e perché si sono evoluti

Da quando si è scoperta l'elettricità come fonte di energia, i circuiti elettrici sono stati progettati, e ottimizzati in modo ingegneristico, per far circolare la corrente elettrica ed erogarla in modo da alimentare industria, abitazioni e dispositivi.

Nel corso degli anni, i circuiti hanno subito un'evoluzione, adattandosi alle nuove tecnologie subentrate nel tempo.

L'evoluzione riguarda principalmente le integrazioni con sistemi IoT, IA e apparecchiature legate alle energie rinnovabili; ma la struttura di base di un circuito elettrico non è mai cambiata, così come il suo funzionamento più elementare.

Parliamo -nella sua forma più diffusa- di un sistema chiuso assemblato per far viaggiare la corrente elettrica all'interno delle sue componenti: in un flusso di elettroni. Il percorso che compiono le cariche elettriche, in modo generale, è da un estremo all'altro del circuito; le cariche tornano al punto di partenza per poi ricominciare lo stesso percorso.

Metaforicamente, è un po' quello che avviene in un circuito automobilistico, dove le auto in corsa tornano al punto di partenza per poi riprendere la corsa.

Nonostante tutte le trasformazioni e le innovazioni successive, l'elettricità resta una delle fonti di energia più utilizzate e, se è vero che i principi di base del suo funzionamento sono rimasti grosso modo gli stessi, questi hanno dovuto subire adattamenti e integrazioni di fronte all'evoluzione tecnologica.

I circuiti elettrici al servizio dell'evoluzione tecnologica: la corrente continua e la corrente alternata

Corrente continua e corrente alternata sono differenti modalità di funzionamento dei circuiti elettrici, e, oggigiorno, costituiscono aspetti fondamentali per integrare i sistemi elettrici tradizionali con l'evoluzione tecnologica attuale.

Tutto ciò che riguarda il funzionamento elementare e la tecnologia basilare dei circuiti elettrici è stato messo al servizio dell'innovazione contemporanea, dimostrando in questo un'estrema adattabilità ai cambiamenti odierni, anche con tecnologie che a prima vista possono sembrarne distanti.

Questo, ovviamente, richiede professionisti formati non soltanto rispetto all'ingegneria elettrica accademica, ma anche aggiornati sulle tecnologie di oggi, che mostrino un certo grado di apertura verso integrazioni che vadano oltre i sistemi classici.

In linea generale, un circuito elettrico può funzionare nelle seguenti due modalità.

• Corrente continua, conosciuta anche con la formula DC, dall'inglese direct current: in questo circuito le cariche si muovono attraverso un percorso che segue sempre la stessa direzione.
• Corrente alternata, indicata, all'inglese, con l'acronimo AC. I circuiti a corrente alternata sono quelli più diffusi nel nostro quotidiano: riguardano le prese di corrente a cui colleghiamo gli apparecchi elettrici. In questo caso, la corrente elettrica cambia direzione, seguendo intervalli periodici regolari.

Com'è fatto un circuito elettrico? La sua configurazione più semplice

Ma prima di sapere come un circuito elettrico venga messo al servizio dell'integrazione tecnologica AI, IoT e delle energie rinnovabili è importante capire come sia fatto: vediamo la sua configurazione più semplice.

All'inizio dell'articolo, abbiamo definito il circuito elettrico come un viluppo di cavi connessi a un generatore di tensione in modo da condurre corrente elettrica e farla circolare fra le sue componenti. E in effetti, l'unità elementare di funzionamento di un circuito elettrico è costituita proprio da un generatore di tensione con un filo conduttore, i cui estremi sono collegati alle due estremità -i poli- del generatore stesso.

Non solo un generatore connesso a dei cavi rappresenta la forma più semplice di circuito elettrico, il suo assemblaggio di base, ma può essere considerato il modo più facile e tecnicamente elementare per permettere la circolazione dell'energia elettrica.

I poli a cui vengono collegati i cavi rappresentano i capi del circuito elettrico:

• uno positivo (+);
• uno negativo (-).

La corrente elettrica, secondo la convenzione adottata, si muove dal polo positivo a quello negativo del circuito esterno, mentre gli elettroni seguono il verso opposto. Il generatore, grazie alle forze elettromotrici, consente di preservare quella differenza di potenziale fondamentale per la circolazione della corrente nel circuito esterno.

Altre componenti di un circuito elettrico

Accanto al generatore, esistono ulteriori componenti all'interno di un circuito elettrico che ne ottimizzano il funzionamento e dirigono con maggior efficienza il movimento delle cariche.

Di seguito, le più importanti che possiamo considerare.

• Resistori: si tratta di componenti a loro volta conduttori di corrente e che, quindi, esercitano una certa resistenza al passaggio di corrente elettrica generata dal circuito. Anche i fili elettrici, essendo conduttori di elettricità, possiedono una loro resistenza.
• Dispositivi di protezione come differenziali, fusibili e interruttori automatici: servono, con modalità diverse, a prevenire condizioni anomale dell'impianto, gestire sovraccarichi di corrente e scongiurare il rischio di incendi e guasti.
• Utilizzatori: ci riferiamo ad apparecchi collegati esternamente al circuito e attraversati dal flusso di elettroni. Un elettrodomestico o il nostro smartphone in carica.
• Interruttori: parliamo di elementi pensati per controllare e regolare il passaggio della corrente. Un interruttore può trovarsi in due stati: aperto (la corrente non circola), chiuso (la corrente circola).
• Conduttori: fili realizzati per facilitare il fluire delle cariche. Sono realizzati in materiale conduttore come rame oppure alluminio.
• Induttori: la loro struttura è quella di fili conduttori disposti a bobina. Presentano una forma a spirale, tanto che vengono rappresentati graficamente con questa forma per convenzione. Sono progettati per rispondere alle variazioni di corrente che arrivano dall'esterno.

Come integrare i circuiti elettrici con le nuove evoluzioni tecnologiche? I campi di maggior investimento

Le evoluzioni tecnologiche attuali presentano un elevato grado di integrabilità con i circuiti elettrici.

Non solo perché l'elettricità resta una delle fonti di energia più utilizzate nell'industria e nella vita quotidiana, ma anche perché l'ingegneria elettrica di oggi convoglia, nel contesto di alcune applicazioni tecnologiche, nell'ingegneria elettronica, quindi in tutto ciò che riguarda tecnologie come IA, IOT e microchip.

I principali campi di applicazioni riguardano i seguenti settori.

• Elettronica e integrazioni IoT: ora l'elettricità alimenta reti intelligenti di Internet of things che si basano su domotica e sistemi smart.
• Efficientamento energetico: le tecnologie AI poggiano su enormi data center che costituiscono un dispendio energetico senza precedenti. Lo stesso costo energetico riguarda sistemi industriali complessi, parchi macchine e isole di lavoro con cobot e macchine utensili. Serve progettare sistemi di monitoraggio, di regolazione e ottimizzazione dell'energia elettrica, integrando la distribuzione energetica a sistemi di controllo dei processi industriali.
• Automotive: oggi, anche il settore dell'automotive poggia su integrazioni con circuiti elettrici ed elettronici. L'efficienza dei circuiti e dell'elettronica vanno messi al servizio del comfort e della sicurezza automobilistica.
• Monitoraggio e ottimizzazione energetica: il percorso di ottimizzazione energetica non può realizzarsi senza l'ausilio di strumenti di monitoraggio. Nell'era delle smart grid e delle comunità energetiche è importante l'integrazione con infrastrutture tecnologiche in grado di tracciare e monitorare i consumi in tempo reale.
• Sistemi di energia sostenibile: l'efficientamento energetico passa anche per l'integrazione degli impianti elettrici con sistemi basati su energie naturali come l'impianto eolico e i pannelli fotovoltaici e quelli con funzionamento fondato su accumulo e conversione come batterie e celle a combustibile. Oggi è importante non soltanto la connessione di sistemi di energia rinnovabile alla rete elettrica; ma anche l'ottimizzazione tecnica per rendere l'erogazione ancora più efficiente e sostenibile energeticamente.

Creare circuiti elettrici complessi per integrarli con le nuove tecnologie

I circuiti elettrici del futuro, capaci di realizzare un'integrazione con nuove tecnologie IoT, AI e sostenibili, si basano su un'architettura che assembla più componenti per migliorare efficienza e controllo della distribuzione dell'elettricità.

Grazie a variazioni sul numero e sul collegamento delle varie componenti, è possibile dar vita a circuiti complessi, in grado di alimentare sistemi tecnologici su più livelli e di integrarsi con le fonti rinnovabili.

Nel caso delle energie rinnovabili, particolarmente importanti si rivelano essere elementi come i condensatori e gli accumulatori di energia.

Le cariche di elettricità vengono direzionate sulle armature del condensatore, permettendogli di accumulare energia grazie a un campo elettrico; quest'energia viene poi restituita al circuito. Un sistema che diventa fondamentale quando la rete elettrica viene integrata con sistemi quali pannelli fotovoltaici e impianti eolici.

Di grande importanza per gli operatori dell'energia elettrica del futuro sarà rendere sempre riciclabili e riutilizzabili questi accumulatori, insieme alle batterie delle auto elettriche, per realizzare un'economia circolare.

Per quanto riguarda l'alimentazione di grandi complessi industriali o l'efficientamento energetico spesso la soluzione è quella di creare enormi circuiti assemblati, in cui la distribuzione elettrica viene potenziata grazie alla messa a punto di diverse componenti in serie, oppure in parallelo.

C'è da ricordare che non esiste una formula univoca, che vada bene per qualunque realtà. Tutte queste specifiche devono essere disegnate e commisurate in base alle caratteristiche e alle esigenze dell'impianto industriale.

La didattica laboratoriale come base per lavorare con i circuiti elettrici integrati

Per lavorare su circuiti elettrici al servizio delle nuove tecnologie non è più sufficiente una formazione puramente accademica, limitata ai percorsi universitari in ingegneria elettrica ed elettronica.

Accanto alla teoria, diventa fondamentale una formazione fondata sul learning by doing, in cui, tramite strumenti laboratoriali, si riesce a comprendere il funzionamento di un circuito elettrico da vicino.

Mekhan, servendosi di attrezzature didattiche a marchio proprio, LN e Gunt, permette agli ingegneri elettrici del futuro di interagire direttamente con ambienti stem e industriali.

A disposizione di scuole e università vi sono:

• macchine utensili e isole di lavoro in miniatura come torni didattici per comprendere il controllo numerico;
• riproduzioni in miniatura di pannelli fotovoltaici, impianti eolici e celle a combustibile;
• circuiti elettrici a basso voltaggio con cui fare pratica laboratoriale;
• aule didattiche customizzate realizzate su misura dai nostri ingegneri.

Entra nei nostri laboratori e scopri le attrezzature per formare i tecnici dei circuiti elettrici di domani.