Macroargomento 06 · Analisi
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Metodi di Analisi
e Teoremi delle Reti

Dall'analisi nodale a quella degli anelli, sovrapposizione degli effetti e la riduzione di reti complesse tramite i teoremi di Thévenin, Norton e il Massimo Trasferimento di Potenza.


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 ($R_{eq}$)

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, $U_0 = 0$).

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.

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:

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.

Condizione di Adattamento in Potenza
$ R_L = R_{th} $
La potenza massima si ottiene imponendo che la resistenza di carico eguagli la resistenza interna della sorgente di Thévenin.

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 $\to 100\%$.
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