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Circuiti del I & II ordine

Le equazioni differenziali ordinarie del I ordine hanno la forma:

dx(t)dt+x(t)Ο„=xpΟ„\frac{dx(t)}{dt} + \frac{x(t)}{\tau} = \frac{x_p}{\tau}

La soluzione generale Γ¨:

x(t)=keβˆ’t/Ο„+hx(t) = k e^{-t/\tau}+h

Con h soluzione particolare, che si determina grazie alla condizione iniziale:

h=x(0)βˆ’xpβ€…β€ŠβŸΉβ€…β€Šx(t)[x(0)βˆ’xp]eβˆ’t/Ο„+xph = x(0)-x_p \implies x(t)\big[x(0)-x_p\big]e^{-t/\tau}+x_p

Le equazioni differenziali ordinarie del II ordine hanno la forma:

d2x(t)dt2+2Ξ±dx(t)dt+Ο‰02x(t)=0\frac{d^2 x(t)}{dt^2} + 2\alpha \frac{d x(t)}{dt} +\omega_0^2 x(t)= 0

Se Ξ±β‰ Ο‰0\alpha \neq \omega_0, allora:

x(t)=Aestβ€…β€ŠβŸΉβ€…β€Šs1,2=βˆ’Ξ±Β±Ξ±2βˆ’Ο‰02β€…β€ŠβŸΉβ€…β€Šx(t)=A1es1t+A2es2tx(t) = A e^{st} \implies s_{1,2} = -\alpha \pm \sqrt{\alpha^2-\omega_0^2} \implies x(t)=A_1 e^{s_1 t} + A_2 e^{s_2 t}

Si determinano A1A_1 e A2A_2 grazie alle condizioni iniziali x(0)x(0) e dxdt∣t=0\frac{dx}{dt}\Big|_{t=0}

L’ordine di complessitΓ  di un circuito Γ¨ ricavato calcolando il numero di condizioni iniziali indipendenti:

  • nDn_D: numero di componenti dinamici,
  • nCn_C: numero di maglie esclusivamente composte da condensatori e generatori indipendenti di tensione,
  • nLn_L: numero di linee chiuse che tagliano solo induttori e generatori indipendenti di corrente
ordine circuito=nDβˆ’nCβˆ’nL\text{ordine circuito} = n_D - n_C - n_L

Un circuito Γ¨ detto autonomo quando i generatori sono spenti. L’energia immagazzinata dai componenti dinamici (condensatori e induttori) Γ¨ rilasciata ai resistori.

RC Autonomo

Cdv(t)dt+v(t)R=0C \frac{d v(t)}{dt}+\frac{v(t)}{R}=0

Condizione iniziale:

V0=(t=t0=0s)V_0=(t=t_0=0s)

Energia iniziale immagazzinata:

E(t=0)=12CV02E(t=0)=\frac{1}{2} C V_0^2

Altre formule importanti sono:

dv(t)dt+v(t)Ο„=0con RC=Ο„\frac{d v(t)}{dt}+\frac{v(t)}{\tau}=0\quad \text{con } RC = \tau v(t)=V0eβˆ’t/Ο„v(t) = V_0 e^{-t/\tau}

I dati relativi alla resistenza sono:

iR(t)=v(t)R=V0Reβˆ’t/Ο„pR(t)=v(t)iR(t)=V02Reβˆ’(2t)/Ο„ER(t)=∫0tp(t~)dt~=12CV02(1βˆ’eβˆ’(2t)/Ο„)\eq{ i_R(t) &= \frac{v(t)}{R}= \frac{V_0}{R} e^{-t/\tau}\\ p_R(t) &= v(t)i_R(t)= \frac{V_0^2}{R} e^{-(2t)/\tau}\\ E_R(t) &= \int_0^t p(\widetilde{t})d\widetilde{t} = \frac{1}{2} C V_0^2 \bigg(1-e^{-(2t)/\tau} \bigg) \\ }

RL Autonomo

Ldi(t)dt+Ri(t)=0L \frac{d i(t)}{dt}+Ri(t)=0

Condizione iniziale:

I0=i(t=t0=0s)I_0=i(t=t_0=0s)

Energia iniziale immagazzinata:

E(t=0)=12LI02E(t=0)=\frac{1}{2} L I_0^2

Altre formule:

di(t)dt+Ri(t)L=0con LR=Ο„di(t)dt+i(t)Ο„βˆ’1=0i(t)=I0eβˆ’t/Ο„\eq{ & \frac{d i(t)}{dt}+\frac{Ri(t)}{L}=0\quad \text{con } \frac{L}{R} = \tau \\ & \frac{d i(t)}{dt}+i(t)\tau^{-1}=0 \\ & i(t) = I_0 e^{-t/\tau} }

I dati relativi alla resistenza sono:

vR(t)=Ri(t)=RI0eβˆ’t/Ο„pR(t)=vR(t)i(t)=RI02eβˆ’(2t)/Ο„ER(t)=12LI02(1βˆ’eβˆ’(2t)/Ο„)\eq{ v_R(t) &= Ri(t)= R I_0 e^{-t/\tau}\\ p_R(t) &= v_R(t)i(t)= R I_0^2 e^{-(2t)/\tau}\\ E_R(t) &= \frac{1}{2} L I_0^2 \bigg(1-e^{-(2t)/\tau} \bigg) \\ }

La costante di tempo Ο„β‰₯0\tau \geq 0 Γ¨ il tempo impiegato dalla risposta di un circuito per decrescere di un fattore 1/e1/e, ovvero raggiungere il 36.8%36.8\% del valore iniziale.

Il circuito raggiunge la condizione di regime (transitorio esaurito) dopo un tempo di 5Ο„5\tau.

La velocitΓ  di risposta Γ¨ inversamente proporzionale a Ο„\tau.

RLC Serie

Ldi(t)dt+Ri(t)+V0+1C∫0ti(t~)dt~=0L \frac{d i(t)}{dt}+ R i(t)+V_0 + \frac{1}{C} \int_0^t i(\widetilde{t})d\widetilde{t}=0 d2i(t)dt2+RLdi(t)dt+i(t)LC=0\frac{d^2 i(t)}{dt^2}+\frac{R}{L}\frac{d i(t)}{dt}+\frac{i(t)}{LC}=0

La costante di smorzamento Ξ±\alpha Γ¨:

Ξ±=R2Lβ€…β€Š[1sec.]\alpha = \frac{R}{2L} \; \bigg[\frac{1}{\rm sec.} \bigg]

La pulsazione di risonanza Ο‰0\omega_0 Γ¨:

Ο‰0=1LC\omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}}

Condizioni iniziali con i(0)=I0i(0)=I_0:

didt∣t=0=βˆ’1L[RI0+V0]\frac{d i}{dt}\bigg|_{t=0} = -\frac{1}{L}\bigg[R I_0 + V_0 \bigg]

RLC Parallelo

Cdv(t)dt+v(t)R+I0+1L∫0tv(t~)dt~=0C \frac{d v(t)}{dt} + \frac{v(t)}{R}+I_0 + \frac{1}{L} \int_0^t v(\widetilde{t})d\widetilde{t}=0 d2v(t)dt2+1RCdv(t)dt+v(t)LC=0\frac{d^2 v(t)}{dt^2}+\frac{1}{RC}\frac{d v(t)}{dt}+\frac{v(t)}{LC}=0

La costante di smorzamento Ξ±\alpha Γ¨:

Ξ±=12RCβ€…β€Š[1sec.]\alpha = \frac{1}{2RC} \; \bigg[\frac{1}{\rm sec.} \bigg]

La pulsazione di risonanza Ο‰0\omega_0 Γ¨:

Ο‰0=1LC\omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}}

Condizioni iniziali con v(0)=V0v(0)=V_0:

dvdt∣t=0=βˆ’1RC[RI0+V0]\frac{dv}{dt}\bigg|_{t=0} = -\frac{1}{RC}\bigg[R I_0 + V_0 \bigg]

Si confrontano i circuiti RLC serie ed RLC parallelo nelle diverse tipologie di smorzamento:

TipologiaSoluzioniRLC SerieRLC Parallelo
Sovrasmorzamento: Ξ±>Ο‰0\alpha > \omega_0s1,2=βˆ’Ξ±Β±Ξ±2βˆ’Ο‰02∈Rβˆ’s_{1,2}=-\alpha \pm \sqrt{\alpha^2 -\omega_0^2} \in \R^-C>(4L)/R2C > (4L)/ R^2L>4R2CL > 4 R^2 C
Sottosmorzamento: Ξ±<Ο‰0\alpha < \omega_0s1,2=βˆ’Ξ±Β±jΞ±2βˆ’Ο‰02∈Cs_{1,2}=-\alpha \pm j\sqrt{\alpha^2 -\omega_0^2} \in \CC<(4L)/R2C < (4L)/ R^2L<4R2CL < 4 R^2 C
Senza smorzamento: Ξ±=0<Ο‰0\alpha = 0 < \omega_0s1,2=Β±jΞ±2βˆ’Ο‰02∈Cs_{1,2}=\pm j\sqrt{\alpha^2 -\omega_0^2} \in \CR=0R=01/R=01/R = 0
Smorzamento critico: Ξ±=Ο‰0\alpha = \omega_0s1,2=βˆ’Ξ±βˆˆRs_{1,2}=-\alpha \in \R

N.B. Nei casi del sottosmorzamento e dell’assenza dello smorzamento, le soluzioni sono numeri complessi coniugati: s1=s2β€Ύs_1 = \overline{s_2}.

Nell’ambito dei circuiti elettrici, in particolare per gli argomenti trattati, la funzione gradino unitario si definisce come:

u(t)={0t<01t>0βˆ„t=0u(t) = \begin{cases} 0 \quad t < 0\\ 1 \quad t > 0\\ \nexists \quad t = 0 \end{cases}

Il gradino modella rapide variazioni di corrente e tensione.

Mentre per la teoria dei segnali Γ¨ utile definire u(0)=1/2u(0)=1/2, in questo caso si preferisce una β€œversione” del gradino in cui la funzione non Γ¨ definita per t=0t=0​.

Il circuito RC autonomo si presenta nella forma:

RC step response

Il circuito RL autonomo si presenta nella forma:

RL step response

FormulaRC AutonomoRL Autonomo
Condizione inizialev(t=0)=V0v(t=0)=V_0i(t=0)=I0i(t=0)=I_0
Energia iniziale immagazzinataE(t=0)=12CV02E(t=0)=\frac{1}{2} C V_0^2E(t=0)=12LI02E(t=0)=\frac{1}{2} L I_0^2
Integrazione nel tempoCdv(t)dt+v(t)βˆ’Vsu(t)R=0C \frac{d v(t)}{dt}+\frac{v(t)-V_s u(t)}{R}=0Ldi(t)dt+Ri(t)βˆ’Vsu(t)=0L \frac{d i(t)}{dt}+R i(t)-V_s u(t)=0
Risposta del circuitoΟ„=RC\tau = RC
dv(t)dt+v(t)Ο„=Vsu(t)Ο„=0\frac{d v(t)}{dt}+\frac{v(t)}{\tau}=\frac{V_s u(t)}{\tau}=0
Ο„=L/R\tau = L/R
di(t)dt+i(t)Ο„=Isu(t)RΟ„\frac{di(t)}{dt}+\frac{i(t)}{\tau} = \frac{I_s u(t)}{R\tau}
Risposta completav(t)=[V0βˆ’Vs]eβˆ’t/Ο„+Vsv(t) = [V_0 - V_s] e ^{-t/\tau}+V_si(t)=[I0βˆ’Is]eβˆ’t/Ο„+Isi(t) = [I_0 - I_s] e ^{-t/\tau}+I_s
Risposta transitoriavT=[V0βˆ’Vs]eβˆ’t/Ο„v_T=[V_0 - V_s] e^{-t/\tau}iT=[I0βˆ’Is]eβˆ’t/Ο„i_T=[I_0 - I_s] e^{-t/\tau}
Risposta a regimevR=Vsv_R = V_siR=Isi_R = I_s
Risposta al gradinov(t)=V0eβˆ’t/Ο„+Vs(1βˆ’eβˆ’t/Ο„)v(t)=V_0 e^{-t/\tau}+V_s (1-e^{-t/\tau})i(t)=I0eβˆ’t/Ο„+Is(1βˆ’eβˆ’t/Ο„)i(t)=I_0 e^{-t/\tau}+I_s (1-e^{-t/\tau})
Risposta naturalevN=V0eβˆ’t/Ο„v_N = V_0 e^{-t/\tau}iN=I0eβˆ’t/Ο„i_N = I_0 e^{-t/\tau}
Risposta forzatavF=Vs(1βˆ’eβˆ’t/Ο„)v_F=V_s(1-e^{-t/\tau})iF=Is(1βˆ’eβˆ’t/Ο„)i_F=I_s(1-e^{-t/\tau})
RLC SerieRLC Parallelo
v<0β†’i(t)=0v<0 \to i(t)=0, i(0)=I0=0i(0)=I_0 = 0v<0β†’v(t)=0v<0 \to v(t)=0, v(0)=V0=0v(0)=V_0 = 0
didtt=0=1L[Vsβˆ’V0]\frac{d i}{dt}_{t=0}=\frac{1}{L}[V_s - V_0]dvdtt=0=1C[Isβˆ’I0]\frac{dv}{dt}_{t=0} =\frac{1}{C}[I_s - I_0 ]
vL(t)=Ldidtv_L(t)=L \frac{d i}{dt}iC(t)=Cdvdti_C(t)=C\frac{dv}{dt}
vR(t)=Ri(t)v_R (t)=R i(t)iR(t)=v(t)/Ri_R (t)=v(t)/R
vC(t)=Vsβˆ’vR(t)βˆ’vL(t)v_C (t)=V_s-v_R (t)-v_L (t)iL(t)=Isβˆ’iR(t)βˆ’iC(t)i_L (t)=I_s-i_R (t)-i_C (t)