1. RELAZIONI TENSIONE-CORRENTE NEL DOMINIO DEL TEMPO i(t) Tensione applicata : v(t) v(t) = VM sen ωt V(t) = VM ejωt : vettore ruotante che genera la sinusoide RESISTORE i(t) = v(t) / R = VM/ R sen ωt ⇒ i(t) = IM sen ωt ⇒ I(t) = IM ejωt ⇒ I(t) = IM ejπ/2 ejωt Caratteristiche della corrente funzione sinusoidale con : • pulsazione uguale a quella della tensione • fase uguale a quella della tensione • ampiezza indipendente dalla frequenza : IM = VM/ R CONDENSATORE i(t) = C dv(t) / dt = ωCVM cos ωt ⇒ i(t) = IM sen (ωt + π/2) Caratteristiche della corrente funzione sinusoidale con : • pulsazione uguale a quella della tensione • fase : in anticipo di π/2 radianti • ampiezza proporzionale alla frequenza : IM = ωCVM INDUTTORE i(t) = 1/L ∫ v(t) dt = - VM/ωL cos ωt ⇒ i(t) = IM sen (ωt - π/2) Caratteristiche della corrente funzione sinusoidale con : • pulsazione uguale a quella della tensione • fase : in ritardo di π/2 radianti • ampiezza inversamente proporzionale alla frequenza : IM = VM / ωL ESERCIZIO Disegnare nei tre casi : • le correnti i(t), correlate con v(t) • i vettori ruotanti associati a v(t) e i(t) nell’istante t = 0 2 ⇒ I(t) = IM e-jπ/2 ejωt In tutti i casi la corrente ha la stessa pulsazione (e quindi la stessa frequenza) della tensione. Di conesuenza : • In regime sinusoidale, in una qualsiasi rete elettrica di tipi R-C-L, tutte le correnti e le tensioni presenti nel sistema sono sinusoidali e hanno la stessa pulsazione. • Tutti i vettori ruotanti associati alle grandezze sinusoidali presenti nel circuito hanno la stessa velocità angolare e perciò mantengono tra loro la stessa distanza angolare presente nell’istante iniziale (t = 0). Per questi motivi l’analisi dei circuiti in regime sinusoidale si può effettuare col metodo vettoriale, considerando vettori fissi, anziché vettori ruotanti. 2. RELAZIONI VETTORIALI TENSIONE-CORRENTE Resistore ⇒ I =V/R ⇒ V=RI Condensatore ⇒ I = j ωCV ⇒ V = I / j ωC = - j 1/ωC I ⇒ V = - j XC I Induttore ⇒ I = V / j ωL ⇒ V = j ωL I ⇒ V = j XL I Come si può notare le tre relazioni sono analoghe e sono riconducibili all’espressione ⇒ dove Z è un numero complesso che nel primo caso ha solo la parte reale, mentre negli altri due casi ha solo la parte immaginaria. R resistenza XC = 1/ωC reattanza capacitiva XL = ωL reattanza induttiva Z V = ZI L’effetto prodotto da una reattanza capacitiva è opposto a quello prodotto da una reattanza induttiva impedenza L’impedenza di un bipolo passivo è il rapporto vettoriale tra la tensione applicata e la corrente assorbita dal bipolo ed è espressa da un numero complesso, in cui la parte reale rappresenta la componente resistiva, mentre la parte immaginaria rappresenta la componente reattiva. L’impedenza di un bipolo passivo si calcola applicando le stesse regole viste in continua : impedenze in serie : Zs = Z1 + Z2 impedenze in parallelo : 1/ Zp = 1/Z1 + 1/Z2 Alcuni esempi : • • • • • resistore in serie con un condensatore resistore in serie con un induttore condensatore in serie con un induttore resistore in parallelo con un condensatore condensatore in parallelo con un induttore ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Z = R - jXC Z = R + jXL Z = j (XL - XC ) Z = R . jXC / (R - jXC ) Z = XL XC / j(XL - XC ) 3. METODO per svolgere l’analisi vettoriale dei circuiti R, C, L in regime sinusoidale 3 Si calcolano le reattanze presenti nel circuito tenendo conto della frequenza del segnale applicato Si sostituiscono i condensatori e le induttanze con le rispettive reattanze C -j / ωC L jωL Si esprime la tensione sinusoidale applicata in forma vettoriale vi(t) Vi = Vi ϕi Applicando i principi dell’elettrotecnica e usando il calcolo vettoriale si determinano le altre correnti e tensioni dei sistema in forma vettoriale Se necessario si tracciano i diagrammi vettoriali per visualizzare in forma grafica le relazioni tra le varie grandezze Si esprimono nel dominio del tempo le tensioni e le correnti che si ritiene utile avere in questa forma. Vo = Vo Io = Io ϕo vo(t) αo io(t) 4 Esempio A vi = VM sen ωt L VL XL = ωL jXL Vi = VM ∠0° XC = 1/ωC B ZT = R + jXL – jXC = R + j (ωL – 1/ωC ) C -jXc Vi VC I = Vi / ZT C VR = R I R VL = jXL I VC = -jXC I VR Vi = VR + VL + VC D Diagramma vettoriale nel caso in cui XL < XC VR VL I Vi VC+VL VC ESERCIZI Con vi = 5 sen 103 t determinare tutte le correnti e le tensioni dei seguenti circuiti e tracciare i rispettivi diagrammi vettoriali. • • • • • • Resistore di 1 KΩ in serie con condensatore di 1 MF Condensatore di 1 MF in parallelo con induttore di 2 Henry Resistenza di 2 KΩ in serie col parallelo precedente Resistenza di 10 KΩ in parallelo con condensatore di 100 nF Resistenza di 5 KΩ in serie col parallelo precedente. Resistenza di 5 KΩ in serie con condensatore di 100 nF in serie con induttore di 10 Henry. 5 4. POTENZA ELETTRICA IN REGIME SINUSOIDALE In regime sinusoidale solo le resistenze dissipano potenza sotto forma di calore, mentre le capacità e le induttanze scambiano potenza, ma non la dissipano. La potenza dissipata dai componenti resistivi di un circuito prende il nome di potenza attiva e si indica con P. La potenza media scambiata dai condensatori e dagli induttori prende il nome di potenza reattiva e si indica con Q. La potenza scambiata da condensatori e induttori sono di segno opposto : si considera positiva quella dell’induttore e negativa l’altra. Il valore efficace di una tensione v(t) o di una corrente i(t) è il valore della corrispondente grandezza continua che, applicata allo stesso circuito, determina una potenza attiva pari a quella prodotta dalla grandezza variabile. Si può dimostrare che, in regime sinusoidale, il valore efficace di una grandezza elettrica è pari al valore massimo fratto radice di due. __ Veff = VM / √ 2 Ieff = IM / √ 2 __ Potenza attiva dissipata da una resistenza ⇒ PR = R Ieff 2 = R IM2 / 2 Potenza reattiva scambiata da un condensatore ⇒ QC = - XC Ieff 2 = - XC IM2 / 2 Potenza reattiva scambiata da un induttore QL = XL Ieff 2 = XL IM2 / 2 ⇒ dove Ieff è il valore efficace della corrente che attraversa rispettivamente il resistore, il condensatore, l’induttore. Per un bipolo ohmico-reattivo si può dimostrare che : P = Veff Ieff cos ϕ Veff Ieff ϕ Q = Veff Ieff sen ϕ dove è il valore efficace della tensione applicata al bipolo è il valore efficace della corrente che attraversa il bipolo è l’argomento dell’impedenza del bipolo e dunque lo sfasamento della V rispetto alla I cos ϕ prende il nome di fattore di potenza A = Veff Ieff prende il nome di potenza apparente triangolo delle potenze A Q ϕ P ESERCIZI Nei bipoli indicati negli esercizi di pag. 5 determinare : la potenza assorbita dai bipoli, quella dissipata dalle singole resistenze e il cos ϕ. 6