Questo modulo (Lezioni 9-13) introduce gli strumenti matematici standard dell'ingegneria elettrica per ridurre la dimensionalità dei sistemi e semplificare il calcolo dei circuiti complessi.
- Resistenza Equivalente ($R_{eq}$)
- Metodo dei Potenziali ai Nodi
- Metodo delle Correnti di Anello
- Sovrapposizione degli Effetti
- Teorema di Sostituzione
- Teoremi di Thévenin e Norton
- Massimo Trasferimento di Potenza
Resistenza Equivalente ($R_{eq}$)
Una qualsiasi porzione di rete passiva (formata esclusivamente da resistori lineari) accessibile da due soli morsetti $A$ e $B$ equivale, ai fini dei morsetti esterni, a un singolo resistore ideale equivalente.
Il valore $R_{eq}$ si calcola riducendo progressivamente la rete combinando i blocchi di resistori disposti in serie e in parallelo. Se la rete non è riducibile con queste semplici regole, si può applicare una DDP di prova o usare le trasformazioni Stella-Triangolo ($Y-\Delta$).
Metodo dei Potenziali ai Nodi (Analisi Nodale)
Invece di risolvere per le $2\ell$ incognite totali, l'analisi nodale riduce il sistema a $n - 1$ incognite: i potenziali incogniti dei nodi rispetto a un nodo di riferimento (nodo di massa, $U_0 = 0$).
- Si definiscono le conduttanze di ciascun ramo.
- Per ogni nodo (escluso il nodo massa) si applica la KCL, formulando le correnti incognite nei resistori in funzione della differenza di potenziale tra i due nodi di ciascun ramo (legge di Ohm: $i_{AB} = G \cdot (U_A - U_B)$).
- I termini generati dai GIC si spostano nel termine noto delle equazioni.
- Se ci sono GIT tra due nodi incogniti, si rende necessario introdurre una super-KCL o utilizzare l'analisi nodale modificata.
Metodo delle Correnti di Anello
Ideale per reti piane. Le incognite si riducono alle correnti fittizie che circolano in ciascuno degli $m = \ell - n + 1$ anelli della rete, riducendo la dimensione del sistema lineare a $m$ equazioni.
- Si assegna una corrente di anello (es. in senso orario) a ciascun anello.
- Si scrive la KVL per ogni anello esprimendo la caduta di tensione su ogni resistore mediante la legge di Ohm applicata alla somma algebrica delle correnti degli anelli che lo attraversano.
- Se un ramo appartiene solo all'anello $x$, la sua corrente è unicamente $i_{ax}$. Se è condiviso fra due anelli $x$ e $y$, la sua corrente netta è $i_{ax} \pm i_{ay}$.
- I generatori ideali di corrente richiedono di definire dei super-anelli o l'introduzione della caduta incognita sul GIC.
Principio di Sovrapposizione degli Effetti
In una rete lineare, contenente resistori lineari e generatori indipendenti, l'effetto (tensione o corrente su qualsiasi ramo) causato dall'azione simultanea di tutti i generatori è pari alla somma algebrica degli effetti che si otterrebbero attivando un solo generatore indipendente per volta.
Come "spegnere" i generatori
GIT Spento: $e = 0$. Il generatore ideale di tensione si sostituisce con un cortocircuito ideale.
GIC Spento: $j = 0$. Il generatore ideale di corrente si sostituisce con un circuito aperto ideale.
Teorema di Sostituzione
Se in una data rete è noto in via definitiva e univoca il funzionamento di un certo ramo ai cui capi è presente una tensione $\bar{v}$ e all'interno del quale circola una corrente $\bar{i}$, si può sostituire tale ramo con:
- Un Generatore Ideale di Tensione (GIT) il cui valore impresso è pari a $\bar{v}$.
- Oppure un Generatore Ideale di Corrente (GIC) il cui valore impresso è pari a $\bar{i}$.
La sostituzione non altera le tensioni e le correnti in tutti gli altri rami della rete.
Teoremi di Thévenin e Norton
Sono due dei teoremi più potenti nell'analisi circuitale. Permettono di "comprimere" l'intero comportamento di una rete attiva lineare, vista da una qualsiasi porta $A$-$B$, in un equivalente macroscopico ridotto ai minimi termini.
Equivalente di Thévenin
La rete vista dai terminali A-B equivale alla serie formata da un GIT con f.e.m. $E_{th}$ e una resistenza equivalente $R_{th}$.
- $E_{th} = V_{AB0}$: è la tensione misurata ai morsetti a vuoto (morsetti staccati).
- $R_{th} = R_{eq}$: è la resistenza equivalente calcolata "spegnendo" tutti i generatori indipendenti della rete attiva.
Equivalente di Norton
La stessa rete equivale al parallelo tra un GIC di intensità $J_N$ e una conduttanza equivalente $G_N$ (o resistenza $R_N$).
- $J_N = I_{cc}$: è la corrente di cortocircuito misurata se si pongono i terminali in C.C.
- $G_N = 1/R_{th}$: è misurata sempre spegnendo tutti i generatori.
Vale la relazione diretta: $J_N = E_{th} / R_{th}$.
Teorema del Massimo Trasferimento di Potenza
Ci si chiede quale deve essere il valore del resistore di carico $R_L$, da connettere a una rete attiva equivalente modellizzata come un generatore di Thévenin ($E_{th}$, $R_{th}$), per massimizzare la potenza dissipata unicamente sul carico.
Quando $R_L = R_{th}$, il circuito è "adattato". La tensione sul carico sarà esattamente la metà di quella a vuoto ($V_L = E_{th}/2$) e la potenza trasferita sarà $ P_{max} = \frac{E_{th}^2}{4 R_{th}} $.
Attenzione: in questa condizione il rendimento (efficienza energetica $\eta$) del circuito è solo del 50%. Tanta energia viene trasferita al carico quanta ne viene internamente dissipata su $R_{th}$. L'adattamento in potenza si usa prevalentemente in elettronica e telecomunicazioni (segnali deboli, es. antenne o amplificatori audio), non nella trasmissione di potenza elettrica industriale dove si punta a rendimenti $\to 100\%$.