Bipoli resistivi

Bipoli resistivi
www.die.ing.unibo.it/pers/mastri/didattica.htm
(versione del 26-2-2011)
Bipoli resistivi
● Bipolo resistivo: componente a due terminali avente equazione
caratteristica del tipo
f v(t), i(t), t  0
(f  funzione generica)
 L’equazione caratteristica mette in relazione i valori assunti dalla
tensione e dalla corrente allo stesso istante t
● Bipolo resistivo tempo-variante:
t compare esplicitamente come argomento di f
f v(t), i(t), t  0
● Bipolo resistivo tempo-invariante:
t non compare esplicitamente come argomento di f
f v(t), i(t)  0
2
Curva caratteristica
● In ogni istante t, l’equazione di un bipolo resistivo definisce una
curva nel piano v-i detta curva caratteristica
● I punti della curva caratteristica rappresentano tutte le possibili
coppie di valori che possono assumere la tensione e la corrente
del bipolo all’istante t
● Per un bipolo resistivo tempo-invariante la curva caratteristica
non varia al variare di t
3
Bipoli resistivi
● Bipolo comandato in tensione:
l’equazione può essere posta nella forma i(t)  g v(t)
● Bipolo comandato in corrente:
l’equazione può essere posta nella forma v(t)  h i(t)
● Bipolo bilaterale:
f v(t), i(t)  0  f v(t), i(t)  0
 curva caratteristica simmetrica rispetto all’origine
 scambiando i terminali il comportamento del componente
non cambia
● Bipolo inerte:
f (0,0)  0
 curva caratteristica passante per l’origine
4
Esempi
comandato in i e in v
comandato in i
comandato in v
non comandato né in i né in v
5
Bipoli resistivi passivi
● Se la tensione e la corrente sono orientate secondo la convenzione
dell’utilizzatore
 pa  vi  0 per i punti compresi
nel 1° e nel 3° quadrante
 pa  vi  0 per i punti compresi
nel 2° e nel 4° quadrante
● Per un bipolo resistivo passivo in ogni condizione di funzionamento
risulta pa  0
 La curva caratteristica è interamente contenuta nel 1° e nel 3°
quadrante (assi inclusi)
● Per un bipolo resistivo attivo esistono condizioni di funzionamento nelle
quali pa < 0
 La curva caratteristica contiene punti del 2° o del 4° quadrante
6
Resistore
● Equazione: v  Ri
i  Gv


●

R  resistenza (ohm, )
G  conduttanza (siemens, S)
G  1/R
(v e i orientate secondo la convenzione dell’utilizzatore)
v e i soddisfano la legge di Ohm
Il resistore è un bipolo lineare, comandato sia in corrente che in
tensione ed è bilaterale
Potenza assorbita: pa  vi  Ri2 = Gv2 Curva caratteristica
Se R  0 (G  0) il resistore è passivo
Simbolo
7
Resistori non lineari
● I bipoli resistivi per i quali la tensione e la corrente non
soddisfano la legge di Ohm, sono anche indicati genericamente
col nome di resistori non lineari
● Per rappresentare un generico bipolo resistivo non lineare si
utilizza il simbolo
8
Generatore indipendente di tensione
● Equazione: v  vG(t)
 Il generatore indipendente di tensione è un bipolo comandato in
corrente e non è bilaterale
 Potenza erogata: può variare da  a 
 Il generatore indipendente di tensione è un componente attivo
Simboli
Curva caratteristica
(Generatore di
tensione costante)
9
Generatore indipendente di corrente
● Equazione: i  iG(t)
 Il generatore indipendente di corrente è un bipolo comandato in
tensione e non è bilaterale
● Potenza erogata: può variare da  a 
 Il generatore indipendente di corrente è un componente attivo
Simboli
Curva caratteristica
10
Generatori indipendenti
● I generatori indipendenti sono casi particolari di bipoli resistivi
non lineari
● Se le tensioni o le correnti impresse sono funzioni del tempo, i
generatori indipendenti sono componenti tempo-varianti
● Le tensioni o le correnti impresse dei generatori indipendenti
costituiscono i termini noti delle equazioni del circuito
( ingressi del circuito)
● Le altre tensioni e correnti del circuito sono funzioni degli ingressi
( uscite o risposte del circuito)
11
Circuiti lineari e tempo-invarianti
● Circuito lineare = circuito formato esclusivamente da
componenti lineari e generatori indipendenti
 in questo caso le equazioni del circuito costituiscono un
sistema lineare nel quale le grandezze impresse dei
generatori rappresentano i termini noti
● Circuito non lineare = circuito che contiene almeno un
componente non lineare diverso da un generatore indipendente
● Circuito tempo-invariante = circuito formato esclusivamente da
componenti tempo-invarianti e generatori indipendenti
● Circuito tempo-variante = circuito che contiene almeno un
componente tempo-variante diverso da un generatore
indipendente
12
Cortocircuito
● Equazione: v  0
● Potenza assorbita: pa  vi  0
 Il cortocircuito è un componente passivo
● Il cortocircuito può essere considerato un caso particolare
 di generatore indipendente di tensione con vG  0
 di resistore con R  0
Curva caratteristica
Simboli
13
Circuito aperto
● Equazione: i  0
● Potenza assorbita: pa  vi  0
 Il circuito aperto è un componente passivo
● Il cortocircuito può essere considerato un caso particolare
 di generatore indipendente di corrente con iG  0
 di resistore con G  0 (R  ∞)
Curva caratteristica
Simboli
14
Bipoli in serie
● Bipoli collegati in serie: un terminale del primo bipolo e un
terminale del secondo bipolo sono uniti in un nodo a cui non
sono collegati altri componenti
LKV v  v1  v2
LKI
i  i1  i2
LKV v 
N
v
k 1
LKI
i  ik
k
(k  1,  , N )
I bipoli collegati in serie sono percorsi dalla stessa corrente
15
Bipoli in parallelo
● Bipoli collegati in parallelo: ciascuno dei terminali di un bipolo
è collegato a uno dei terminali dell’altro
LKV v  v1  v2
LKI
i  i1  i2
LKV v  vk
(k  1,  , N )
N
LKI
i   ik
k 1
I bipoli collegati in parallelo sono sottoposti alla stessa tensione
16
Resistori in serie
N
LKV v   vk
k 1
i  ik
LKI
(k  1,  , N )
Relazioni
v  Rk ik
costitutive k

(k  1,  , N )
 N

v   Rk ik    Rk  i  RS i
k 1
 k 1 
N
● N resistori in serie equivalgono a un resistore con resistenza
N
RS   Rk
RS = resistenza equivalente serie
k 1
17
Resistori in parallelo
N
i   ik
LKI
k 1
LKV v  vk
(k  1,  , N )
Relazioni
i  Gk vk
costitutive k

(k  1,  , N )
 N

i   Gk vk    Gk  v  GP v
k 1
 k 1 
N
● N resistori in parallelo equivalgono a un resistore di conduttanza
N
GP   Gk
k 1
GP = conduttanza equivalente parallelo
18
Resistori in parallelo
● In termini di resistenze si ha
RP 
1

GP
1
RP = resistenza equivalente parallelo
1
N
R
k 1
k
● Nel caso particolare di due resistori in parallelo, la resistenza
equivalente è
RP 
1
1
1

R1 R2

R1 R2
R1  R2
19
Partitore di tensione
● Problema: dati N resistori in serie, nota la tensione totale v e le
resistenze Rk determinare le tensioni dei resistori
i
v

RS
v
N
R
k 1
k

v j  R ji 
Rj
N
R
k 1
v
( j  1,  , N )
k
● La tensione v si suddivide in parti direttamente proporzionali alle
resistenze
Rj
Fattore di partizione
N
 Rk
k 1
20
Partitore di corrente
● Problema: dati N resistori in parallelo, nota la corrente totale i e
le resistenze Rk determinare le correnti dei resistori
v
i

GP
i
N
G
k 1
 i j  G jv 
k
Gj
N
G
k 1
i
k
( j  1,  , N )
● La corrente i si suddivide in parti direttamente proporzionali alle
conduttanze (inversamente proporzionali alle resistenze)
Gj
Fattore di partizione
N
 Gk
k 1
21
Partitore di corrente
● Caso particolare di due resistori in parallelo
1
R1
i1 
G1
R2
i
i
i
1
1

G1  G2
R
R
1
2

R1 R2
i2 
R1
i
R1  R2
22
Generatore di tensione e resistore in serie
Equazioni caratteristiche
a) v  vG  vR  vG  Ri
b) v  vG  vR  vG  Ri
c) v  vG  vR  vG  Ri
d) v  vG  vR  vG  Ri
23
Generatore di tensione e resistore in serie
● Le curve caratteristiche sono delle rette non passanti per l’origine
(se vG  0)
● Il valore di v per i  0, corrispondente all’intersezione della retta
con l’asse v, è detto tensione a vuoto e coincide, eventualmente
a meno del segno, con la tensione del generatore
● Il valore di i per v  0, corrispondente all’intersezione della retta
con l’asse i, è detto corrente di cortocircuito e coincide,
eventualmente a meno del segno, con il rapporto tra la tensione
del generatore e la resistenza R
24
Generatore di tensione e resistore in serie
Curve caratteristiche
25
Modello di un generatore reale di tensione
● La tensione di un generatore ideale di tensione non dipende dalla
corrente
● Per un generatore reale la tensione è praticamente costante solo se il
valore assoluto della corrente è piccolo
● Per rappresentare un generatore reale si può utilizzare un circuito
equivalente formato da un generatore ideale con un resistore in serie
● La caratteristica tende a quella di un generatore ideale al tendere a zero
della resistenza
v  vG  Ri
26
Potenza disponibile
● Potenza erogata dal bipolo pe  vi  vG i  Ri 2
● Al variare di i la potenza è massima se
dpe
v
 0  vG  2 Ri  0  i  G
di
2R
v
v
● In queste condizioni la tensione è v  vG  R G  G
2R 2
● La massima potenza erogabile (potenza disponibile) è pe max
vG2

4R
v  vG  Ri
27
Massimo trasferimento di potenza
● Potenza erogata da un generatore reale collegato a un resistore
di carico RC
pe  vi  vG
RC
v
RC
 G  vG2
R  RC R  RC
( R  RC ) 2
● La potenza è massima per RC = R
pe  pe max
vG2

4R
 RC  R
28
Generatore di corrente e resistore in parallelo
Equazioni caratteristiche
a) i  iG  iR  iG  Gv
b) i  iG  iR  iG  Gv
c) i  iG  iR  iG  Gv
d) i  iG  iR  iG  Gv
1

G  
R

29
Generatore di corrente e resistore in parallelo
● Le curve caratteristiche sono delle rette non passanti per l’origine
(se iG  0)
● La corrente di cortocircuito coincide, eventualmente a meno del
segno, con la corrente del generatore
● La tensione a vuoto coincide, eventualmente a meno del segno,
con il prodotto della corrente del generatore per la resistenza R
30
Generatore di corrente e resistore in parallelo
Curve caratteristiche
31
Modello di un generatore reale di corrente
● La corrente di un generatore ideale di corrente non dipende dalla
tensione
● Per un generatore reale la corrente è praticamente costante solo se il
valore assoluto della tensione è piccolo
● Per rappresentare un generatore reale si può utilizzare un circuito
equivalente formato da un generatore ideale con un resistore in
parallelo
● La caratteristica tende a quella di un generatore ideale al tendere a
infinito della resistenza
i  iG  v / R
32
Trasformazione dei generatori
v  vG  RV i
i  iG 
v
RI
v  R i
I G
 RI i
● I due bipoli sono equivalenti se sono verificate le condizioni
RV  RI  R
vG  RiG
(Questa relazione vale se i versi di vG e iG
sono orientati come indicato nella figura)
33
Trasformazione dei generatori
● L’equivalenza vale solo per il comportamento ai terminali
 a parità di v e i (e quindi di potenza erogata dal bipolo) le potenze
erogate dai generatori (e quelle assorbite dai resistori) in genere
sono diverse
potenza erogata dai bipoli per v  v1 e i  i1
potenza erogata dal generatore di tensione
potenza erogata dal generatore di corrente
34
Altri collegamenti tra generatori e resistori
v  vG
i  iG


Il bipolo equivale al solo
generatore di tensione vG
Il bipolo equivale al solo
generatore di corrente iG
35
Collegamenti tra generatori
● N generatori indipendenti di tensione in serie equivalgono a un
unico generatore di tensione
N
vGS  v   vGk
k 1
● N generatori indipendenti di corrente in parallelo equivalgono ad
un unico generatore di corrente
N
iGP  i   iGk
k 1
36
Collegamenti tra generatori
v  vG
i  iG


Il bipolo equivale al solo
generatore di tensione vG
Il bipolo equivale al solo
generatore di corrente iG
37
Collegamenti non ammessi
● Generatori ideali di tensione in parallelo
 se le tensioni sono diverse il collegamento viola la LKV
 se le tensioni sono uguali le correnti dei generatori sono
indeterminate
● Generatori ideali di corrente in serie
 se le correnti sono diverse il collegamento viola la LKI
 se le correnti sono uguali le tensioni dei generatori sono
indeterminate
38
Esempi di circuiti indeterminati
● Tutte le coppie di valori di I1 e I2
tali che
I1  I 2  I 
VG
R
sono compatibili con il circuito
● Tutte le coppie di valori di V1 e V2
tali che
V1  V2  V  RI G
sono compatibili con il circuito
39
Esempi di circuiti indeterminati
● L’indeterminazione può essere eliminata se si tiene conto del
fatto che
 ogni generatore reale di tensione ha in serie una resistenza
non nulla
 ogni generatore reale di corrente ha in parallelo una
resistenza di valore finito
40
Prima formula di Millman


1
Req 
N
G

k 1
k
N

veq 
G v
N
ieq   Gk vGk
k 1
N
k Gk
G
k 1
k
k 1
41
Prima formula di Millman
● Più in generale, per un bipolo formato da bipoli dei tipi a, b e c collegati
in parallelo, procedendo come nel caso precedente si ottiene
veq
G v  i

G
k A
k Gk
kA B
kC
k
Gk
Req 
1
G
kA B
k
A  insieme dei valori di k per cui il bipolo k è di tipo a
B  insieme dei valori di k per cui il bipolo k è di tipo b
C  insieme dei valori di k per cui il bipolo k è di tipo c
42
Prima formula di Millman
● Se i terminali A e B sono lasciati aperti (i  0), la tensione vAB coincide
con la tensione del generatore equivalente
 La tensione tra i due nodi di un circuito
formato da bipoli dei tipi a b e c collegati
in parallelo può essere determinata per
mezzo della prima formula di Millman
43
Seconda formula di Millman


N

Req   Rk
k 1
N
veq   Rk iGk
k 1
N

ieq 
R i
k 1
N
k Gk
R
k 1
k
44
Seconda formula di Millman
● Più in generale, per un bipolo formato da bipoli dei tipi a, b e c collegati
in serie, procedendo come nel caso precedente si ottiene
ieq
 R i  v

R
kA
k Gk
kA B
kC
k
Gk
Req 
R
kA B
k
A  insieme dei valori di k per cui il bipolo k è di tipo a
B  insieme dei valori di k per cui il bipolo k è di tipo b
C  insieme dei valori di k per cui il bipolo k è di tipo c
45
Seconda formula di Millman
● Se i terminali A e B sono collegati in cortocircuito (vAB  0), la corrente i
coincide con la corrente del generatore equivalente
 In un circuito costituito da una sola
maglia formata da bipoli dei tipi a b e c
la corrente comune a tutti i bipoli può
essere determinata per mezzo della
seconda formula di Millman
46
Stelle e poligoni di resistori
Stella ad N vertici
N resistori collegati ad un nodo
comune a cui non sono collegati
altri componenti
Poligono ad N vertici
N(N1)/2 resistori che collegano
tutte le coppie di vertici
47
Trasformazione triangolo-stella
RA 
RAB RAC
RAB  RAC  RBC
Caso particolare:
RB 
RAB RBC
RAB  RAC  RBC
RAC RBC
RC 
RAB  RAC  RBC
RAB  RAC  RBC  R

RA  RB  RC 
R
3
48
Trasformazione stella-triangolo
RAB 
RA RB  RA RC  RB RC
RC
RAC 
RA RB  RA RC  RB RC
RB
RBC
R R  RA RC  RB RC
 A B
RA
Caso particolare:
RA  RB  RC  R

RAB  RAC  RBC  3R
49
Trasformazione stella-poligono
● Si può dimostrare che le conduttanze dei resistori di un poligono
equivalente ad una stella di N resistori sono data dalla relazione
Gij 
Gi G j
N
G
k 1
k
● Se il numero di vertici è maggiore di 3, il numero di resistori del poligono
è maggiore del numero di resistori della stella
 E’ sempre possibile trasformare una stella in un poligono, ma non è
possibile trasformare un generico poligono in una stella
50
Diodo ideale
i  0 per v  0
v  0 per i  0
● Equazione: 
Curva caratteristica
Simbolo
51
Diodo ideale
● Il diodo ideale si comporta
 come un circuito aperto se la tensione è negativa
( condizione di polarizzazione inversa)
 come in cortocircuito se la corrente è positiva
( condizione di polarizzazione diretta)
● Il diodo ideale è un bipolo resistivo non lineare e non bilaterale
 Il terminale positivo è indicato con il nome di anodo (A)
 Il terminale positivo è indicato con il nome di catodo (K)
● Dato che in ogni condizione di funzionamento la tensione o la
corrente è uguale a zero la potenza assorbita è sempre nulla
 Il diodo ideale è un componente passivo
52
Diodo a giunzione p-n
● Il diodo ideale è un modello semplificato mediante il quale si può
approssimare il comportamento di un diodo a giunzione p-n
● Il diodo a giunzione p-n è un componente non lineare avente
equazione caratteristica
 Vv


T
i  I S e  1





i 



v
V
ln
1

T
 I 
S 

Curva caratteristica
IS = corrente di saturazione
(valori tipici 10-15 – 10-10 A)
VT = tensione termica
(dipende dalla temperatura,
a 20° VT  25 mV)
53
Diodo a giunzione p-n
● Per v  0 (polarizzazione inversa) la corrente i è circa uguale a IS
 normalmente si può ritenere i  0
● Per v  0 (polarizzazione diretta) per i valori di corrente di interesse
pratico la tensione generalmente non eccede valori di circa 0.6 – 0.7 V
● In molti casi questo valore di tensione risulta trascurabile
 In questi casi è possibile ottenere una soluzione accurata di un
circuito contenente diodi, utilizzando il modello del diodo ideale
 In questo modo l’analisi di un circuito contenente diodi può essere
ricondotta allo studio di circuiti lineari
54
Modello a soglia
● Nei casi in cui la tensione del diodo polarizzato in diretta non è trascurabile è possibile realizzare un modello più accurato collegando in serie al
diodo ideale un generatore di tensione V (valori tipici 0.6 – 0.7 V)
● Per v < V la tensione vd  v  V è negativa  i  0
● Per i > 0 la tensione vd si annulla  v  V
55
Modello a soglia con resistenza in serie
● E’ possibile ridurre ulteriormente lo scostamento dalla caratteristica di
un diodo reale in condizioni di polarizzazione diretta inserendo un resistore R in serie al diodo ideale e al generatore
● Per v < V  i  0
(non può essere i > 0 perche altrimenti si avrebbe vd  v  V  Ri  0)
● Per v > V  i > 0, vd  0, v  V  Ri
56
Analisi di circuiti con diodi ideali
● Per analizzare un circuito contenente diodi ideali si devono prendere in
esame tutti i circuiti ottenuti sostituendo ciascun diodo con un cortocircuito o con un circuito aperto
● Tra tutte le possibili combinazioni, il circuito che rappresenta l’effettivo
comportamento del circuito in esame è quello in cui
 le correnti nei cortocircuiti (dall’anodo verso il catodo) sono positive
 le tensioni dei circuiti aperti (con l’anodo come terminale positivo)
sono negative
● In generale l’analisi di un circuito con N diodi ideali può richiedere la
risoluzione di 2N circuiti lineari
● In pratica, in molti casi è possibile fare delle ipotesi a priori sul comportamento dei diodi osservando la struttura del circuito
● Queste ipotesi possono essere verificate, ed eventualmente corrette,
calcolando le tensioni e le correnti dei diodi
57
Esempio
R1  6 
R2  6 
R3  6 
R4  3 
VG  30 V
Si vogliono determinare le tensioni e le correnti dei diodi
58
Esempio
● Si può riconoscere che il diodo D1 deve essere polarizzato in diretta,
altrimenti la tensione tra il nodo B e il nodo E dovrebbe essere
maggiore della tensione VG del generatore
● I circuiti corrispondenti ai due possibili stati di D2 sono i seguenti
(2)
(1)
59
Esempio
● Nel circuito (1) si ha
V2 
VG
 15 V
2
V4 
VG
 10 V
3
VD 2  V2  V4  5 V
● La tensione è positiva, in disaccordo con l’ipotesi che D2 sia polarizzato
in inversa  D2 deve essere polarizzato in diretta
● Nel circuito (2) si ha
IG 
VG
R1 R3
RR
 2 4
R1  R3 R2  R4
 6A
I3 
IG
 3A
2
I4 
2
IG  4 A
3
● Quindi le correnti nei diodi sono
I D1  I 3  3 A
I D2  I 4  I3  1A
● Le correnti sono entrambe positive, coerentemente con l’ipotesi che i
diodi siano polarizzati in diretta
 Questa è la soluzione cercata e quindi le tensioni dei diodi sono nulle
60