Parte 1

Reti resistive (senza memoria)

Relazioni costitutive, teoremi sulle reti lineari e metodi generali di analisi. Base per l'esercizio di Thevenin/Norton e per le reti due porte.

Leggi di Kirchhoff e convenzioni

KI – legge delle correnti

La somma algebrica delle correnti uscenti da un nodo (o da una superficie gaussiana) è nulla: $\sum_k \pm i_k = 0$.

KV – legge delle tensioni

La somma algebrica delle tensioni lungo una maglia chiusa è nulla: $\sum_k \pm v_k = 0$.

Convenzione degli utilizzatori: la corrente entra nel morsetto + ⇒ $p = v\,i$ è la potenza assorbita. Convenzione dei generatori: la corrente esce dal + ⇒ $p = v\,i$ è la potenza erogata.

Bipoli elementari

BipoloRelazione costitutivaNote
Resistore$v = R i$, $i = G v$$p = Ri^2 \ge 0$ (passivo se $R>0$)
Generatore ideale di tensione$v = e$ per ogni $i$spento ⇒ corto circuito
Generatore ideale di corrente$i = a$ per ogni $v$spento ⇒ circuito aperto
Corto circuito / circuito aperto$v=0$ / $i=0$
Diodo ideale$v\le0, i=0$ (OFF) oppure $v=0, i\ge0$ (ON)ipotizza lo stato e verifica

Un bipolo è controllabile in corrente se per ogni $i$ esiste un'unica $v$ (⇒ esiste Thevenin), controllabile in tensione se per ogni $v$ esiste un'unica $i$ (⇒ esiste Norton).

Generatori controllati, AO, BJT

TipoRelazioneParametro
VCVS – tensione controllato in tensione$v_2 = \mu\, v_1$$\mu$ adimensionale
CCVS – tensione controllato in corrente$v_2 = r\, i_1$$r$ in Ω (transresistenza)
VCCS – corrente controllato in tensione$i_2 = g\, v_1$$g$ in Ω⁻¹ (transconduttanza)
CCCS – corrente controllato in corrente$i_2 = \beta\, i_1$$\beta$ adimensionale

Amplificatore operazionale ideale

In funzionamento lineare (con retroazione negativa):

$$v_d = v_+ - v_- = 0,\qquad i_+ = i_- = 0$$
  • Invertente: $v_o = -\dfrac{R_2}{R_1}v_i$
  • Non invertente: $v_o = \left(1+\dfrac{R_2}{R_1}\right)v_i$
  • Inseguitore: $v_o = v_i$
  • Sommatore invertente: $v_o = -R_f\sum_k \dfrac{v_k}{R_k}$

Modello: nullatore all'ingresso ($v=0,i=0$) + noratore all'uscita ($v, i$ arbitrari).

BJT – parametri ibridi (emettitore comune)

$$\begin{cases} v_{be} = h_{ie}\,i_b + h_{re}\,v_{ce}\\ i_c = h_{fe}\,i_b + h_{oe}\,v_{ce}\end{cases}$$
  • $h_{ie}$ [Ω]: resistenza d'ingresso tra B ed E
  • $h_{re}$: generatore di tensione controllato $h_{re}v_{ce}$ in serie a $h_{ie}$ (spesso 0)
  • $h_{fe}$: generatore di corrente $h_{fe}i_b$ tra C ed E
  • $h_{oe}$ [Ω⁻¹]: conduttanza in parallelo tra C ed E (spesso 0)

Utile: KI alla superficie gaussiana che racchiude il transistor ⇒ $i_e = i_b + i_c = (1+h_{fe})i_b$ se $h_{oe}=0$.

Trasformatore ideale e giratore

Trasformatore ideale (rapporto $n$)

$$v_1 = n\,v_2,\qquad i_2 = -n\,i_1$$

Non assorbe potenza ($v_1i_1+v_2i_2=0$). Un carico $R$ sul secondario è visto al primario come $n^2R$.

Giratore (resistenza di girazione $r$)

$$v_1 = -r\,i_2,\qquad v_2 = r\,i_1$$

Non reciproco, non assorbe potenza. Un carico $R$ è visto come $r^2/R$; un condensatore diventa un induttore $L = r^2C$.

Serie, parallelo, partitori, stella-triangolo

Serie e parallelo

$$R_s = \sum_k R_k\qquad G_p = \sum_k G_k\qquad R_1\parallel R_2 = \frac{R_1R_2}{R_1+R_2}$$

Partitori

$$v_k = v\,\frac{R_k}{\sum R}\qquad i_k = i\,\frac{G_k}{\sum G}\;\;\left(i_1 = i\frac{R_2}{R_1+R_2}\right)$$

Triangolo → stella

$$R_a = \frac{R_{ab}R_{ca}}{R_{ab}+R_{bc}+R_{ca}}$$

Resistenza di stella sul nodo = prodotto dei due lati adiacenti / somma. Se uguali: $R_Y = R_\Delta/3$.

Stella → triangolo

$$R_{ab} = \frac{R_aR_b+R_bR_c+R_cR_a}{R_c}$$

Somma dei prodotti a due a due / resistenza opposta. Se uguali: $R_\Delta = 3R_Y$.

Trasformazione dei generatori reali

Un generatore di tensione $e$ in serie a $R$ equivale a un generatore di corrente $a = e/R$ in parallelo a $R$ (verso: la corrente esce dal morsetto + di $e$). Vale anche per i generatori controllati purché la grandezza di controllo non venga “assorbita” nella trasformazione.

Trucco del metodo topologico (lezione 6-bis): un generatore ideale di tensione si può “duplicare” su tutti i lati di un taglio, uno di corrente su tutti i lati di una maglia, senza alterare il comportamento ai morsetti, per poterlo poi trasformare.

Teorema di Millman

Per rami in parallelo tra due nodi, ciascuno con generatore di tensione $e_k$ in serie a $R_k$, più eventuali generatori di corrente $a_j$ entranti nel nodo:

$$v = \frac{\sum_k e_k G_k + \sum_j a_j}{\sum_k G_k}$$

I rami con un generatore di corrente ideale contribuiscono solo al numeratore (la loro conduttanza in serie non conta). È lo strumento più veloce nei circuiti a due nodi, anche con generatori controllati e in Laplace.

Principio di sovrapposizione degli effetti

In una rete lineare la risposta a più generatori indipendenti è la somma delle risposte a ciascun generatore agente da solo (gli altri spenti).

Teoremi di Thevenin e Norton

Thevenin

Un bipolo lineare controllabile in corrente equivale a $v_{eq}$ in serie a $R_{eq}$:

$$v = v_{eq} + R_{eq}\,i$$

$v_{eq} = v_{c.a.}$ (a vuoto); $R_{eq}$ del bipolo omogeneo associato (generatori indipendenti spenti).

Norton

Un bipolo lineare controllabile in tensione equivale a $i_{eq}$ in parallelo a $G_{eq}$:

$$i = G_{eq}\,v - i_{eq}$$

$i_{eq} = i_{c.c.}$ (in corto); se esistono entrambi $R_{eq} = v_{c.a.}/i_{c.c.}$.

Dimostrazione (da sapere per l'orale): alimento il bipolo con $i_0$ e applico la sovrapposizione separando “cause interne” e $i_0$: $v_0 = v_{01} + v_{02} = v_{c.a.} + R_{eq}\,i_0$. Da qui nasce il metodo rapido.

Esempio dalle slide: bipolo con generatore controllato (Req negativa)

Bipolo con $E$, $I_s$ e un generatore controllato $5i_1$. Con Millman ai due nodi, alimentando con $i_0$:

$$v_0 = \frac{\dfrac{E}{R} - I_s + 5i_1 + i_0}{\dfrac1R}= E - RI_s + 5Ri_1 + Ri_0$$

La grandezza di controllo si elimina con $v_0 = Ri_1 + E$ ⇒ $i_1 = (v_0-E)/R$. Sostituendo:

$$v_0 = E - RI_s + 5(v_0 - E) + Ri_0\;\Rightarrow\; v_0 = E + \frac{R}{4}I_s - \frac{R}{4}i_0$$

Quindi $v_{eq} = E + \dfrac R4 I_s$, $R_{eq} = -\dfrac R4$ (bipolo attivo).

Massimo trasferimento di potenza (resistivo)

Un carico $R_L$ collegato a un bipolo di Thevenin $(v_{eq}, R_{eq})$ con $R_{eq}>0$ assorbe la potenza massima per $R_L = R_{eq}$:

$$P_{max} = \frac{v_{eq}^2}{4R_{eq}}$$

Metodi generali: grafi, nodi, maglie

Grafo, albero, coalbero

  • Albero: sottografo connesso senza maglie che tocca tutti i nodi ($n-1$ lati).
  • Coalbero: lati rimanenti ($l-n+1$).
  • Maglia fondamentale: un lato di coalbero + il percorso sull'albero.
  • Taglio fondamentale: un lato d'albero + i lati di coalbero che lo attraversano.

Metodo dei nodi (il più usato)

  1. Scegli il nodo di riferimento (massa), incognite: potenziali degli altri $n-1$ nodi.
  2. Scrivi la KI a ogni nodo esprimendo le correnti con $G(e_j - e_k)$.
  3. Generatori di tensione tra due nodi: supernodo (o metodo misto).
  4. Generatori controllati: esprimi la grandezza di controllo con i potenziali.
$$\mathbf{G}_n\,\mathbf{e} = \mathbf{a}_n$$

Resistori non lineari e diodo ideale

Per un circuito con diodi ideali: ipotizza lo stato di ogni diodo (ON = corto, OFF = aperto), risolvi il circuito lineare risultante, verifica la coerenza ($i\ge0$ se ON, $v\le0$ se OFF). Se non è coerente cambia ipotesi.