Butta via i simulatori finché non sai l'elettronica più di loro ....
è il monito del nostro Professore ed ha ovviamente ragione nel senso che i simulatori non dovrebbero essere utilizzati come "facile scorciatoia" rispetto allo studio ed alla comprensione delle basi concettuali e procedurali dell'elettronica.

E' opportuno regalare una calcolatrice ad uno scolaro che deve imparare le tabelline?
Direi.. dipende dallo scolaro. Se la calcolatrice viene utilizzata per controllare i risultati dopo aver fatto i compiti, può essere utile (è il principio su cui si basano programmi didattici per computer ormai molto diffusi persino nelle scuole materne). Se viceversa la calcolatrice viene adoperata invece che imparare la tabelline, allora è sicuramente dannosa.
Così uno studente che deve "risolvere" un circuito elettronico potrebbe essere tentato di utilizzare un simulatore invece che applicare i vari metodi di soluzione: ma in questo modo non imparerebbe nulla...

Chiarito quindi il ruolo dei simulatori nello studio dell'elettronica, vediamo come questi possono essere utilizzati per una maggior comprensione della funzionalità dei componenti.
Questa serie di articoli si propone infatti di introdurre esperimenti guidati per evidenziare la caratteristiche dei principali elementi costitutivi dei circuiti elettronici ed è dedicata soprattutto ai neofiti dell'elettronica, per stimolare la curiosità di approfondimento della loro conoscenza.

Il diodo

Il diodo è il più semplice componente elettronico, purtuttavia anche questo semplice circuito

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

presenta difficoltà: qual è la corrente I in funzione dei valori di V ed R?.
Un teorico potrebbe dire: se il diodo è ideale , ma il diodo ideale non esiste.
Un praticone potrebbe dire: si assume una "caduta di tensione sul diodo" di 0.7V e si calcola , ma questo vale (molto pressapoco) solo se I corrisponde alla corrente "nominale" di quel diodo.
Dobbiame quindi concludere che per rispondere alla domanda con una certa precisione occorre conoscere la curva caratteristica del particolare diodo impiegato, cioè l'andamento della caduta di tensione sul diodo in funzione della corrente che lo attraversa.
Purtroppo però tale caratteristica non è riportata nemmeno nei datasheets dei vari tipi di diodi, più efficacemente sostituita dal modello Spice nei simulatori (beninteso che abbiano nella propria libreria quel particolare tipo di diodo).
Consideriamo per es. la comune famiglia di diodi 1N4001...1N4007 (varia solo il valore della tensione inversa). Ecco come ricavare la caratteristica con un simulatore (utilizzando qui per es. Microcap).

Si inietta cioè nel diodo una corrente (I1, variabile da 1mA a 1A) e si osserva la caduta di tensione corrispondente. Riportando l'andamento di I1 in ordinata e la caduta in ascissa, si osserva che quest'ultima varia da 0.5 ad 1V.
Ovviamente con un simulatore è possibile (e più comodo) osservare i parametri nei singoli casi, impostando direttamente il circuito iniziale con i rispettivi valori:

Cioè assegnando V=10 V ed R=10 ohm, si ricava una caduta di circa 0.96 V, quindi una corrente di 904 mA. E'interessante (ed istruttivo) variare i parametri e vedere che succede si ad es, R=10k e magari si riduce V ad 1 V (caso di "raddrizzamento" di piccoli segnali) ...

I LED

L'uso dei LED si va sempre più diffondendo, ma spesso ci sono difficoltà nel determinare i valori delle resistenze limitatrici di corrente occorrenti. L'impiego di un simulatore per la loro verifica, può essere utile per evitare danneggiamenti ai LED stessi.
Ecco una configurazione-base (con programma simulatore Multisim) per la verifica della corrente risultante nel LED(si è impostato qui un LED ad alta luminosità con Vf=3.2 V):

La configurazione è ancora più utile nel caso di più LED in serie, con la possibilità di variare i limiti di Vf, per tener conto delle possibili conseguenze di combinazioni di valori estremi. Questo fatto è spesso sottovalutato, limitando il calcolo a valori "medi", ma è chiaro che non si può escludere che la serie sia costituita da LED a Vf minima (3 V) oppure massima (3.6 V), il che fa una bella differenza.

Lo Zener

Lo Zener è un particolare diodo, utilizzato in polarità inversa, per mantenere costante una tensione.
Anche se attualmente sempre più rimpiazzato dai regolatori di tensione integrati (tipo 78xx,ecc.) trova ancora applicazione per la sua semplicità.
Una dettagliata descrizione di utilizzo può essere vista qui ed anche qui, come esempio applicativo ad un progetto di alimentatore.
Seguendo l'esempio illustrato in questo ottimo articolo (paragr. STABILIZZAZIONE DELLA TENSIONE), si considera lo Zener 1N751 (vedi datasheet), in una configurazione che ricava 5 V da un'alimentazione di 12 V.
Ecco la simulazione (in MicroCap) in cui si è reso variabile il carico (mediante potenziometro da 1K).
La prima prova è fatta con carico = 750 ohm

e si ottiene una tensione al carico di 5.086 V (e corrente ca. 7 mA).

La seconda prova con carico = 250 ohm

e, con una corrente di ca 20 mA, la tensione al carico scende a 4.96 V.
Si osservi che la potenza generata dall'alimentatore è praticamente la stessa nei 2 casi: la corrente "in eccesso" del carico viene infatti assorbita dallo Zener (e questo è in essenza il compito di questo dioso).
Ovviamente la simulazione potrebbe considerare anche la variazione della tensione di alimentazione, verificando anche in questo caso i limiti di tolleranza sulla tensione al carico.

Conclusioni

Questi semplici esempi dovrebbero dimostrare che la simulazione se usata in modo appropriato, può rivelarsi un utile strumento di apprendimento, che permette l'analisi dettagliata del comportamento di qualsiasi componente elettronico. Nei prossimi articoli vedremo infatti esempi più complessi.