Macroargomento 09 · Regimi
09 / 10

Regime Transitorio
e Quasi-Stazionario

Dallo studio dell'istante critico al transitorio nei circuiti lineari del primo e secondo ordine (circuiti RC, RL, RLC). L'evoluzione dinamica tra due stati stazionari.


Questo modulo (Lezioni 17-18) copre il comportamento dei circuiti dinamici quando avviene una perturbazione (es. l'apertura o chiusura di un interruttore).

Regime Quasi-Stazionario

Il regime variabile quasi-stazionario è l'ipotesi fisica che ci permette di studiare circuiti con grandezze variabili nel tempo. Approssima il sistema ipotizzando che gli effetti di ritardo elettromagnetico legati alla velocità della luce siano trascurabili, permettendoci di usare i modelli a parametri concentrati e le leggi di Kirchhoff istante per istante ($t$ diventa un semplice parametro del sistema).

Studio dell'Istante Critico ($t=0$)

Si definisce istante critico $t = 0$ il momento in cui avviene un cambiamento improvviso nella topologia del circuito (es. deviatore che si sposta) o nell'eccitazione dei generatori indipendenti.

Per valutare l'evoluzione successiva, è fondamentale dividere il momento in $t = 0^-$ (subito prima) e $t = 0^+$ (subito dopo l'evento).

Regole di Continuità
Condensatore: La tensione è continua, quindi il valore iniziale è dato da: $v_C(0^+) = v_C(0^-)$. Al tempo $0^+$, il condensatore equivale topologicamente a un GIT di valore pari a $v_C(0^-)$.
Induttore: La corrente è continua, quindi $i_L(0^+) = i_L(0^-)$. Al tempo $0^+$, l'induttore equivale a un GIC di valore pari a $i_L(0^-)$.

Circuito RC (Primo Ordine)

Il circuito dinamico più semplice: un resistore $R$ e un condensatore $C$ in serie a un generatore. Costituisce un'equazione differenziale lineare del primo ordine. L'evoluzione della tensione sul condensatore ha sempre forma esponenziale.

Andamento Generale (Risposta Completa RC)
$ v_C(t) = v_C(\infty) + \left[ v_C(0) - v_C(\infty) \right] \cdot e^{-t / \tau} $
Valida per $t > 0$. $v_C(\infty)$ è la soluzione a regime (particolare). $\tau = RC$ è la Costante di Tempo.

Il transitorio si considera fisicamente estinto dopo circa $5\tau$ (valore raggiunto $\approx 99.3\%$).

Circuito RL (Primo Ordine)

Simmetrico (duale) al circuito RC. La variabile di stato protagonista è la corrente nell'induttore $i_L(t)$. L'equazione differenziale lineare produce andamenti analoghi a quelli capacitivi ma scambiando tensione e corrente.

Costante di Tempo Induttiva
$ \tau = \frac{L}{R} $

Analogamente, la corrente generale nell'induttore assume la forma $ i_L(t) = i_L(\infty) + \left[ i_L(0) - i_L(\infty) \right] \cdot e^{-t / \tau} $.

Circuito RLC (Secondo Ordine)

Un circuito che contiene sia induttori che condensatori darà origine a un'equazione differenziale (o integro-differenziale) del secondo ordine. A causa della presenza di due serbatoi di energia di natura diversa (campo elettrico ed elettro-magnetico), l'energia può oscillare (o "rimbalzare") tra i due elementi prima di essere interamente dissipata nel resistore.

I tre possibili andamenti del Transitorio RLC
  • Sovrasmorzato: (radici reali distinte) La resistenza è elevata; il sistema torna allo stato di quiete lentamente, senza mai oscillare o invertire la polarità.
  • Smorzamento Critico: (radici reali coincidenti) Segna il confine tra regime non oscillante e oscillante. È l'andamento che raggiunge lo stato di riposo nel tempo più rapido possibile senza sovraccrescimenti.
  • Sottosmorzato: (radici complesse coniugate) La resistenza è bassa; il sistema inizia un'oscillazione sinusoidale smorzata esponenzialmente. Si scambiano pacchetti di energia $L \leftrightarrow C$ ad ogni semiperiodo.
08 · Cond. e Induttore ↑ Indice TDC 10 · Regime Sinusoidale