Prefazione - Apogeonline

Prefazione
Dalla pubblicazione della prima edizione di PSpice with Circuit Analysis, il passaggio da
DOS a Windows e la diffusione di personal computer di costo relativamente basso hanno
creato l’esigenza di una nuova edizione del testo.
L’impatto di programmi come PSpice sarà molto profondo nel lavoro dell’ingegnere
elettrico ed elettronico presente e futuro. Cambierà progressivamente anche il modo in cui
l’ingegneria elettrica e le tecnologie elettroniche verranno insegnate nelle università e nelle
scuole tecnico-professionali. L’analisi di circuiti elettrici ed elettronici, anche di dimensioni
modeste, comporta calcoli lunghi e complessi. Grazie a PSpice, la complessità circuitale non
è più un ostacolo allo studio del comportamento dei circuiti elettrici. Apprendendo un numero relativamente piccolo di regole di sintassi, e avvalendosi dell’interfaccia grafica, ingegneri e studenti possono risolvere circuiti complicati e produrre schemi circuitali di qualità
professionale.
La valutazione corretta di una formula, quando è fatta dal calcolatore, dà solo la relazione tra le variabili circuitali relative a un particolare punto di lavoro. PSpice, al contrario,
fornisce una prospettiva globale del comportamento del circuito. La semplicità, in confronto
ai metodi tradizionali, con cui possono essere condotte analisi in frequenza o in transitorio
(nel tempo) illustra molto bene ciò di cui stiamo parlando. Le variabili circuitali possono
essere visualizzate accuratamente e velocemente come su di un oscilloscopio, si possono
indagare le loro relazioni matematiche, e si possono rappresentare visivamente concetti come
il valore efficace di un segnale.
PSpice permette di spostare l’enfasi dal calcolo delle variabili circuitali alla loro interpretazione. Rende anche possibile il passaggio dall’analisi dei circuiti a livello di singoli
componenti all’analisi di sistemi composti da molti circuiti. Tradizionalmente, gli studenti
impiegano un tempo considerevole per analizzare circuiti che contengono un unico transistore bipolare. Tuttavia, applicazioni pratiche come amplificatori multistadio, amplificatori
operazionali, filtri attivi, e circuiti per telecomunicazioni contengono molti transistori, in
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aggiunta a numerosi altri dispositivi allo stato solido. Circuiti di tale complessità si possono
analizzare facilmente con il programma PSpice.
Per gli insegnanti, incorporare queste capacità di PSpice nel curriculum di studi esistente rappresenta una sfida. L’approccio pedagogico di questo testo prevede di osservare un
particolare fenomeno circuitale per mezzo di uscite grafiche e numeriche generate da PSpice.
Avendo osservato il fenomeno, lo studente è invitato a cercarne una spiegazione. A questo
punto, vengono introdotti concetti e formule matematiche. Allo studente viene richiesto di
mostrare la correlazione tra dati sperimentali e risultati dei calcoli analitici. Un tipico esempio di questo approccio si trova nel Capitolo 5 del testo, dove viene esaminata la risposta di
un circuito RC a una tensione sinusoidale mediante il programma PSpice. In seguito a ciò,
viene introdotto il metodo fasoriale per determinare analiticamente la risposta del circuito.
Infine si confrontano i risultati di tale metodo con i dati forniti da PSpice. La struttura del
libro riflette questo approccio. Sebbene gli argomenti presentati riflettano quelli tradizionali
dei corsi di Elettrotecnica, viene impiegato un approccio duale. Ogni nuovo concetto circuitale
viene introdotto insieme ai comandi PSpice pertinenti. La materia di studio e il programma
PSpice sono usati in maniera sinergica.
Questo testo non è un corso di Elettrotecnica con PSpice relegato a un’appendice, né si
tratta di un semplice manuale di riferimento per il programma PSpice. Il presupposto alla
base di questo libro è che la combinazione di teoria e simulazione con PSpice possa favorire
la comprensione dei concetti e aumentare le competenze dello studente, in modo da accelerare il processo di apprendimento. Il testo non si prefigge l’abbandono dei metodi tradizionali d’insegnamento in favore dell’uso del programma PSpice; piuttosto cerca di integrarli
con quest’ultimo.
Il materiale in questo libro è diviso in nove capitoli, che coprono gli argomenti tipici di
un corso base di Elettrotecnica o di Teoria delle Reti. Il Capitolo 1 è dedicato all’analisi di
circuiti in corrente continua contenenti una o più sorgenti indipendenti di corrente e di tensione. Nel capitolo viene anche introdotta l’analisi di circuiti contenenti generatori dipendenti di corrente e tensione. Questi dispositivi giocano un ruolo chiave nella modellazione di
molti dispositivi allo stato solido.
Il Capitolo 2 introduce alcuni teoremi fondamentali di teoria delle reti, applicati ai circuiti in corrente continua. Vengono mostrati il principio di sovrapposizione degli effetti, il
teorema di Thévenin e quello di Norton. La conversione dei generatori e il teorema del
massimo trasferimento di potenza concludono il capitolo.
Il Capitolo 3 introduce il lettore ai fenomeni transitori che si incontrano nei circuiti RC
ed RL. Si mostra come la continuità della tensione su un condensatore e della corrente in un
induttore siano legate al flusso di potenza e all’accumulo di energia di questi elementi. Vengono introdotti il concetto di costante di tempo, e la risposta di un circuito a un treno di
impulsi rettangolari. Si applica all’analisi circuitale il modello di interruttore usato da PSpice.
Il Capitolo 4 ha come oggetto l’applicazione di correnti e tensioni sinusoidali a circuiti
resistivi. Si usano questi ultimi per evitare di introdurre complicazioni non necessarie a
questo stadio. Vengono studiati gli effetti di traslazioni temporali e di fase, la loro relazione,
e il loro effetto sul comportamento del circuito. Si derivano espressioni per la somma di
correnti e di tensioni sinusoidali.
Il Capitolo 5 esamina la risposta in regime sinusoidale di circuiti RC, RL ed RLC serie
e parallelo. Il concetto di impedenza viene mostrato graficamente con l’ausilio di diagrammi
generati con PROBE. Questi diagrammi evidenziano che ammettenza e impedenza sono
concetti stazionari. Si dimostra l’equivalenza tra varie configurazioni serie e parallelo.
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Il Capitolo 6 analizza la risposta totale di circuiti RC, RL ed RLC serie e parallelo. Viene
mostrato come la risposta sia data dalla somma di una risposta forzata dovuta alle sorgenti e
di una risposta transitoria, o naturale, del circuito. Viene esaminata la risonanza elettrica.
Il Capitolo 7 estende i concetti del Capitolo 2 a circuiti contenenti resistori, condensatori
e induttori. Si applica la sovrapposizione degli effetti a circuiti contenenti più sorgenti di
corrente e di tensione alternate. Si mostra come le impedenze equivalenti di Norton e Thévenin
siano in generale quantità complesse. Si dimostra che il massimo trasferimento di potenza
da un generatore a un carico si ottiene quando l’impedenza di sorgente è la complessa coniugata di quella del carico.
Il Capitolo 8 mostra come potenza ed energia fluiscano nei circuiti in corrente alternata.
Vengono esaminate le relazioni che forniscono potenza ed energia nei resistori, condensatori
e induttori. Si introducono teoricamente, e si analizzano con PSpice, i concetti di potenza
apparente, reale e reattiva. È importante notare che questo capitolo fornisce le basi teoriche
su cui sono fondate la produzione e la distribuzione industriale dell’energia elettrica.
Il Capitolo 9 introduce il lettore alla risposta in frequenza dei circuiti RC, RL ed RLC.
Vengono descritti e applicati i necessari comandi PSpice. Si ottengono diagrammi di modulo
e di fase, e si traccia l’impedenza dei circuiti in funzione della frequenza. Viene introdotto e
applicato ai filtri il concetto di banda a 3 dB. Il circuito RC viene utilizzato in entrambe le
sue configurazioni, passa-alto e passa-basso. Si mostra l’effetto dell’impiego di più sezioni
sulla pendenza del guadagno. Si esaminano le caratteristiche del filtro passa-banda, e si
discute il concetto di fattore di qualità Q. Viene evidenziata la relazione tra analisi in transitorio e in frequenza (AC).
Ringraziamenti
A completamento di questo libro, è doveroso ringraziare coloro che vi hanno contribuito.
Anche una breve pausa di riflessione è sufficiente per rendere l’autore consapevole del suo
debito verso molti. È impossibile dire quanti anni fa sia stato piantato il seme di questo libro.
Ci sono stati i brillanti professori al City College di New York che hanno introdotto una
mente giovane e inesperta all’emozionante mondo dell’ingegneria elettrica. Ci sono coloro
dalla cui precedente opera intellettuale l’autore ha tratto profitto. Attraverso lezioni formali
e discussioni informali con in mano una tazza di caffè, sono state fatte osservazioni e sono
emerse intuizioni che hanno trovato espressione in questo libro.
Ci sono coloro con i quali l’autore ha avuto il privilegio e il piacere di una relazione
professionale congeniale. Tra questi il defunto professor Joseph Aidala, ex direttore del Dipartimento di Tecnologia dell’Ingegneria Elettrica e Informatica al Queensborough Community
College. Ringraziamenti sono dovuti anche al direttore attuale, Dr. Louis Nashelsky, la cui
competenza professionale è superata solo dalla sua umanità. Grazie al professor Robert Boylestad,
amico e collega, per avermi presentato a varie persone alla Prentice Hall che si sono interessate alla pubblicazione di un libro su PSpice.
Un lavoro non necessita solo di essere scritto, ma anche di essere pubblicato. Ciò fa sì
che io debba ringraziare tutte le persone coinvolte in questa parte del processo. Ringraziamenti iniziali devono andare a Scott Sambucci, direttore editoriale della sezione Tecnologie
Elettroniche alla Prentice Hall. Un ringraziamento speciale va a Rex Davidson, che ha guidato il processo di revisione attraverso i suoi vari stadi. Infine, un grazie a Linda Thompson,
che ha fatto le revisioni e ha contribuito alla mia umiltà.
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Venendo più al personale, un ringraziamento speciale deve andare alla mia carissima
Daphine, che vaga con me lungo la strada della vita. Grazie anche ai miei due figli, Georg
(senza la e finale) e Stefan, che, pur essendo stati adolescenti, sono diventati due meravigliosi adulti.