Tensione di uscita di una porta logica

Una domanda classica delle mie verifiche di elettronica digitale proposta a ChatGPT. Non ne esce per nulla bene. In fondo le mie osservazioni

Vv Perché la tensione di uscita di una porta logica diminuisce se si collega un LED?

ChatGPT La tensione di uscita di una porta logica può diminuire quando si collega un LED a causa delle caratteristiche elettriche del LED stesso. Per capire meglio questa situazione, è importante considerare alcuni concetti fondamentali.

  1. Tensione di uscita della porta logica: La tensione di uscita di una porta logica è la tensione che viene fornita come risultato dell'elaborazione dei segnali all'interno della porta. Per molte porte logiche, specialmente nelle famiglie di logica TTL (Transistor-Transistor Logic) e CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), la tensione di uscita può essere alta o bassa, rappresentate rispettivamente come "1" e "0" in termini di logica binaria.
  2. Tensione di inoltro del LED: Un LED (Light Emitting Diode) è un dispositivo semiconduttore che emette luce quando una corrente passa attraverso di esso. Per far funzionare un LED, è necessario applicare una tensione sopra una soglia specifica, chiamata "tensione di inoltro". Questa tensione di inoltro varia in base al tipo di LED e al materiale utilizzato, ma tipicamente si trova nell'intervallo di 1,5V a 3,5V per i LED standard.

Ora, quando si collega un LED alla tensione di uscita di una porta logica, la tensione di uscita deve essere sufficientemente alta (vicina alla tensione di alimentazione) per superare la tensione di inoltro del LED in modo che il LED possa condurre corrente e quindi emettere luce. Se la tensione di uscita della porta logica non è sufficientemente alta per superare la tensione di inoltro del LED, il LED rimarrà spento perché non c'è corrente sufficiente che fluisca attraverso di esso.

Quindi, se la tensione di uscita della porta logica è inizialmente alta e sufficiente per superare la tensione di inoltro del LED, la tensione cadrà a un livello più basso a causa della caduta di tensione attraverso il LED stesso. Questo è il motivo per cui si osserva una diminuzione della tensione quando si collega un LED alla porta logica.

È importante notare che questo può essere gestito considerando le specifiche elettriche del LED e della porta logica. In alcuni casi, potrebbe essere necessario utilizzare una resistenza in serie al LED per limitare la corrente e garantire che la tensione di uscita della porta logica non scenda troppo al di sotto del livello "0" (terra) quando il LED è acceso. Questo assicura che il LED funzioni correttamente senza compromettere il funzionamento della porta logica stessa.

Vv Dici che la resistenza è necessaria solo in alcuni casi oppure sempre?

ChatGPT La necessità di utilizzare una resistenza in serie a un LED dipende principalmente dalle specifiche del LED e dalla tensione di uscita della porta logica. In molti casi, è buona pratica utilizzare una resistenza in serie a un LED per garantire un funzionamento sicuro e corretto sia del LED che della porta logica. Ecco perché:

  1. Limitare la corrente: I LED hanno una corrente di inoltro massima (o corrente diretta) oltre la quale possono danneggiarsi. Utilizzando una resistenza in serie, è possibile limitare la corrente che scorre attraverso il LED in base alla legge di Ohm (V = IR), dove V è la tensione attraverso la resistenza, I è la corrente e R è il valore della resistenza. In questo modo, è possibile garantire che la corrente attraverso il LED sia entro i limiti sicuri.
  2. Adattare la tensione: La tensione di uscita della porta logica potrebbe non essere esattamente uguale alla tensione di inoltro del LED. La resistenza in serie può essere utilizzata per adattare la tensione in modo che il LED funzioni correttamente. La differenza tra la tensione di uscita della porta logica e la tensione di inoltro del LED si tradurrà in una caduta di tensione attraverso la resistenza.
  3. Proteggere la porta logica: Collegando direttamente un LED senza una resistenza in serie potrebbe far sì che la corrente di uscita della porta logica superi i suoi limiti di corrente specificati. Questo potrebbe danneggiare la porta logica.

In sintesi, se si desidera garantire il funzionamento sicuro ed efficiente di un LED collegato a una porta logica, è consigliabile utilizzare una resistenza in serie. Il valore della resistenza dipenderà dalla tensione di uscita della porta logica, dalla tensione di inoltro del LED e dalla corrente desiderata attraverso il LED. Questo valore può essere calcolato utilizzando la legge di Ohm e le specifiche del LED.

Vv Non capisco. Fammi un esempio con porte CMOS alimentare a 5 V

ChatGPT Certamente, supponiamo di avere una porta CMOS alimentata a 5V e vogliamo collegare un LED a questa porta. La tensione di inoltro del LED è di 2V e la corrente massima di inoltro del LED è di 10 mA. In questo caso, useremo una resistenza in serie per limitare la corrente attraverso il LED.

Per calcolare il valore della resistenza necessaria, possiamo utilizzare la legge di Ohm:

R = (V_alimentazione - V_LED) / I

Dove:

R = (5V - 2V) / 0.01 A = 300 ohm

Quindi, dovremmo utilizzare una resistenza di 300 ohm in serie al LED per limitare la corrente a 10 mA quando la porta CMOS è attiva. In questo modo, il LED funzionerà correttamente senza sovraccaricare la porta CMOS e senza danneggiare il LED stesso. La tensione di uscita della porta CMOS sarà leggermente inferiore a 5V a causa della caduta di tensione attraverso la resistenza, ma sarà sufficiente per accendere il LED quando la porta è in stato attivo.

Vv Se la corrente è 10 mA, la tensione di uscita della porta non è 5 V
ChatGPT Hai ragione, mi scuso per la confusione. Se la corrente attraverso il LED è di 10 mA, c'è una caduta di tensione attraverso la resistenza che deve essere considerata. La tensione di uscita della porta CMOS non sarà esattamente 5V quando il LED è acceso.

La caduta di tensione attraverso la resistenza può essere calcolata utilizzando nuovamente la legge di Ohm:

V_resistenza = R * I

Dove:

V_resistenza = 300 ohm * 0.01 A = 3V

Quindi, la tensione di uscita effettiva della porta CMOS quando il LED è acceso sarà:

Tensione di uscita = Tensione di alimentazione - Caduta di tensione attraverso la resistenza
Tensione di uscita = 5V - 3V = 2V

La tensione di uscita della porta CMOS sarà di circa 2V quando il LED è acceso, non 5V. Pertanto, è importante tenere presente che la tensione di uscita della porta sarà inferiore alla tensione di alimentazione a causa della caduta di tensione attraverso la resistenza.

Vv Non è vero che la tensione di uscita delle porta è 2 V

ChatGPT Hai ragione, mi scuso per l'errore precedente. La tensione di uscita di una porta CMOS quando è in stato alto (stato "1") dovrebbe essere molto vicina alla tensione di alimentazione, che è 5V nel tuo esempio. La caduta di tensione dovuta alla resistenza è solo una parte del calcolo.

Se la tensione di inoltro del LED è di 2V e desideri che la tensione di uscita della porta CMOS sia il più vicina possibile a 5V quando il LED è acceso, dovresti utilizzare una resistenza per limitare la corrente attraverso il LED, ma la tensione di uscita della porta CMOS sarà ancora molto vicina a 5V.

Ecco come puoi calcolare la resistenza:

R = (V_alimentazione - V_LED) / I

R = (5V - 2V) / 0.01 A = 300 ohm

Quindi, con una resistenza di 300 ohm, il LED riceverà una corrente di 10 mA, e la tensione di uscita della porta CMOS sarà ancora molto vicina a 5V quando il LED è acceso.

Vv Non è neppure vicina alla tensione di alimentazione se la corrente è 10 mA

ChatGPT Hai ragione, mi scuso per l'errore nei miei messaggi precedenti. In effetti, con una corrente di 10 mA che scorre attraverso il LED e una caduta di tensione di 2V attraverso il LED, la tensione di uscita della porta CMOS sarà inferiore a 5V.

La tensione di uscita sarà la differenza tra la tensione di alimentazione (5V) e la caduta di tensione attraverso il LED (2V) e la caduta di tensione attraverso la resistenza (che può essere calcolata utilizzando la legge di Ohm, R * I):

Tensione di uscita = Tensione di alimentazione - Caduta di tensione attraverso il LED - Caduta di tensione attraverso la resistenza

Tensione di uscita = 5V - 2V - (R * I)

Supponendo di avere una resistenza di 300 ohm e una corrente di 10 mA:

Tensione di uscita = 5V - 2V - (300 ohm * 0.01 A) = 5V - 2V - 3V = 0V

Quindi, la tensione di uscita sarà di 0V quando il LED è acceso, il che indica che il LED sta causando un cortocircuito eccessivo sulla porta CMOS. Mi scuso per l'errore nei messaggi precedenti. Per evitare questa situazione, dovresti utilizzare una resistenza di valore più elevato per limitare la corrente attraverso il LED e assicurarti che la tensione di uscita della porta CMOS rimanga alta quando il LED è acceso.

Vv Con tensione di uscita 0 V la corrente è 0 mA, quindi il LED è spento...

ChatGPT Hai ragione, mi scuso per l'errore. Con una tensione di uscita di 0V, la corrente attraverso il LED sarà 0 mA, il che significa che il LED sarà spento. Quindi, la configurazione che ho descritto nei messaggi precedenti non funzionerebbe come previsto.

Per far funzionare correttamente il LED con una tensione di alimentazione di 5V e una tensione di inoltro del LED di 2V, devi utilizzare una resistenza in serie per limitare la corrente in modo che il LED sia acceso senza influenzare negativamente la tensione di uscita della porta CMOS.

La resistenza necessaria può essere calcolata come segue:

R = (Tensione di alimentazione - Tensione di inoltro del LED) / Corrente desiderata attraverso il LED

R = (5V - 2V) / 0.01 A = 300 ohm

Con una resistenza di 300 ohm in serie al LED, la corrente attraverso il LED sarà di 10 mA e la tensione di uscita della porta CMOS sarà ancora molto vicina a 5V quando il LED è acceso. Grazie per la correzione, e mi scuso per le risposte imprecise precedenti.

Vv Non ci siamo... Se la corrente è 10 mA, la tensione di uscita di una tipica porta CMOS è 4 V, non 0 V, non 3 V.

ChatGPT Hai ragione, mi scuso per la confusione e per le risposte imprecise precedenti. La tensione di uscita di una tipica porta CMOS quando è in stato alto (stato "1") dovrebbe essere molto vicina alla tensione di alimentazione, che è 5V nel tuo esempio. Pertanto, con una corrente di 10 mA attraverso il LED e una caduta di tensione di 2V attraverso il LED, la tensione di uscita della porta CMOS dovrebbe essere vicina a 5V quando il LED è acceso, e non dovrebbe scendere a 0V o 3V.

Mi scuso per la confusione e le risposte precedenti errate. Grazie per la correzione.

Vv Ora ci siamo. Ripeto la domanda iniziale: perché la tensione di uscita diminuisce?

ChatGPT Mi scuso per la confusione nelle risposte precedenti. La tensione di uscita di una porta logica diminuisce quando si collega un LED a causa delle caratteristiche elettriche del LED stesso e del fatto che il LED richiede una caduta di tensione per funzionare.

Ecco perché la tensione di uscita diminuisce quando si collega un LED:

  1. Tensione di inoltro del LED: Un LED ha una tensione di inoltro, cioè la tensione minima necessaria affinché il LED inizi a condurre corrente e quindi a emettere luce. Questa tensione di inoltro è una caratteristica intrinseca del LED e può variare a seconda del tipo di LED. Ad esempio, potrebbe essere intorno a 2V per molti LED standard.
  2. Caduta di tensione attraverso il LED: Quando si collega un LED, la tensione di uscita della porta logica deve superare la tensione di inoltro del LED affinché il LED si accenda. Pertanto, parte della tensione di uscita della porta logica viene "consumata" dalla tensione di inoltro del LED. La tensione rimanente dopo la caduta attraverso il LED è ciò che viene effettivamente misurato come tensione di uscita.

Ad esempio, se hai una porta logica alimentata a 5V e il LED ha una tensione di inoltro di 2V, la tensione di uscita della porta logica quando il LED è acceso sarà di circa 3V (5V - 2V). Questa diminuzione è dovuta alla caduta di tensione attraverso il LED.

Quindi, in sintesi, la tensione di uscita di una porta logica diminuisce quando si collega un LED perché parte della tensione viene "consumata" dalla tensione di inoltro del LED, che è necessaria affinché il LED funzioni correttamente.

Osservazioni

Fin dall'inizio è chiaro che ChatGPT non solo non sa rispondere alla domanda, ma non ha neppure il concetto di "conseguenza delle proprie affermazioni" o, se volete, non possiede il principio di non contraddizione.

La risposta alla domanda iniziale contiene informazioni abbastanza corrette, spesso approssimate, sicuramente destinate a inondare di informazioni (inutili) l'ascoltatore, atteggiamento tipico di chi conosce un sacco di informazioni, ma comprende poco l'argomento. Nulla di grave: essere "intelligenti" significa anche cercare di apparire più di quello che si è... La cosa più grave è però, a mio parere, nel fatto che non tenta neppure di rispondere alla domanda.

Le risposte successive diventano poi una serie di errori e contraddizioni; solo alla fine sembra tornare sulla retta via.

Alla riproposizione della domanda iniziale, tutto ricomincia da capo: non ha imparato nulla...

Bocciata


Pagina creata nel settembre 2023
Ultima modifica: 25 settembre 2023


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