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GIUSEPPE MARTINELu· · MARIO SALERNO FONDA.MENTI DI ELETTROTECNICA . . ' . . CIRCUITI A COSTANTI CONCENTRATE L.INE-ARI E PERMANENTI Volume I · la'f.: ..• .. 1,ras:.: SIDEREA ~-- La cultura è un bene dell'umanità ([email protected]) La cultura è un bene dell'umanità ([email protected]) La cultura è un bene dell'umanità ([email protected]) GIUSEPPE MARTINELLI MARIO SALERNO CATTEDRA DI ELETTROTECNICA (ELETTRCl'-llCI)- ISTITUTO DI COMUNICAZIONI ELETTRICHE FACOLTÀ DI INGEGNERIA DELL'UNIVERSITÀ DI ROMA. FONDAMENTI DI ELETTROTECNICA CIRCUITI A COSTANTI CONCENTRATE LINEARI E PERMANENTI Volume La cultura è un bene dell'umanità ([email protected]) Le copie non firmare da uno degli Autori si ritengono conrraffarte. Stampato presso il Laboratorio fotolitografico della Edizioni Scientifiche SIDEREA Via delle Terme di Traiano, 5-A - 00184 ROMA La cultura è un bene dell'umanità ([email protected]) INTRODUZIONE L'approccio circuitale all'analisi delle strutture elettriche richiede uno sviluppo bilanciato di vari argo menti, quali:il modellamento dei dispositivi e l'introdu zione di elementi ideali; l'individuazione di EJ.sioritmi matematici di analisi_; la caratterizzazione del circuito ai finf-della su-a -;;LJli;zazione; la precisazione chiara dei 1Tmi~~lidità d~i m~cklli; l'influenza dell;-t~llera-n ze di fabbricazione dei dispositivi sul_-5:_,9m ortamelllQ globale della struttura; ecc. Tale sviluppo bÌlanciato può essere ottenuto so lo se risulta chiara l'utilizzazione dell'approccio s tes so nell'ambito. del progetto della struttura elettrica e quindi in particolare il condizionamento che a tale ap proccio deriva da altri fattori- di tipo tecnologico, fisico, chimico, tecnico-economico, ma tematico. Questo a spetto preliminare e chiarificatore dell'approccio circuitale è considerato nella successiva premessa al testo, che ren de quindi comprensibile la scelta degli argomenti tratta ti. Tali argomenti sono raggruppabili in tre parti, riguar danti rispettivamente il modellamento, gli algoritmi di a nalisi e l'utilizzazione. L'estensione ed il livello di tratta:z;ione di tali parti sono stati volutamente differen ziati, tenendo conto delle caratteristiche degli studenti, a cui il testo è rivolto. In particolare il modellamento, trattato nel Cap.l e nelle Appendici A e B, ha un carat tere essenzialmente introduttivo, in quanto è tipicamen te sviluppato nell'ambito di testi riguardanti i dispositi ·vi magnetici. A questo riguardo è messo in evidenza nel l'Appendice B il problema del modellamento citcuitale nel caso di strutture non elettriche di tipo meccanico. Gli algoritmi di analisi sono trattati in dettaglio nei Capp. II, III, V rispettivamente nel caso dei circuiti senza memoria (Cap. Il) e dei circuiti con memoria (Ca pp. III, V). È stato tenuto conto in tali capitoli della necessità di utilizzare il calcolatore numerico, mantenendo però la trattazione a questo riguardo ad un livello e le men tare, salvo l'Appendice C, in cui viene esaminata l'influenza La cultura è un bene dell'umanità ([email protected]) VI lntro·duzione della struttura del circuito·sugli errori connessi all'uso dei metodi alle differenze finite. L'organizzazione di que sti capitoli è stata prevista del seguente tipo, per una preparazione graduale dello studente: l) posizione del problema di analisi in casi semplici; 2) considerazione di casi via via più complessi median te sviluppo di esempi e derivazione di algoritmi conse guenti; 3) svolgimento di esempi riassuntivi in apposite appen dici poste·alJa fine dei capitoli; dove possibile tali e sempi sono d'interesse concreto, come' nel caso dei cir cuiti senza memoria, dove si considerano stadi elemen tari a transistori con emettitore,collettore,baseamassa; 4) discussione dell'uso del calcolatore mediante schemi a blocchi; 5) sviluppo in opportune appendici dei precedenti schemi a blocchi secondo liste in FORTRAN, con trattazione det tagliata della loro utilizzazione; 6) presentazione di esempi concreti, risolti con i prro~ grammi descritti, come ad esempio la determinazfone-del guadagno di amplificatori differenziali controreazionati in continua, della risposta nel. dominio del tempo e del la frequenza di filtri reattivi chiùsi su resistenze, di stadi amplificatori video, ecc. La trattazione dei procedimenti di analisi è ri condotta in ogni caso a quella dei circuiti senza memo ria, riducendo quindi al minimo lo sforzo necessario per assimilarli. La parte riguardante l'utilizzazione è sviluppata nei rimanenti capitoli. Precisamente le rappresentazio ne esterna del circuito nei suoi molteplici.'aspetti è con siderata a livello introduttivo nel Cap. IV, riguardante le funzioni di rete, ed in dettaglio nei Capp. VI e IX. Le trasformazioni ed equivalenze circuitali, di importan.za notevole. in fase di sintesi, sono considerate nel Cap·i tolo VII. L'analisi dell'effetto delle tolleranze dei com ponenti è riportata nel Cap. VIII insieme a ciò che colle ga tale argomento con i proce'dimériti di ottimizzazione circuitale. E' importante notare che il livello di trattazione dei Capp. VI, VII, VIII, IX e delle tre appendici A, B, C La cultura è un bene dell'umanità ([email protected]) Introduzione VII è meno elementare di quello usato negli altri capitoli. In particolare, sono affrontati nei suddetti capitoli aspetti dell'analisi dei circuiti, che sono utili in una fase della preparazione dello studente successiva a quella del solo apprendimento dei procedimenti fondamentali di analisi. Per rendere più evidente tale differenza di trattazione, il testo è stato suddiviso in due volumi, nel secondo dei quali sono appunto riportati i suddetti capitoli ed appen dici. Nella stesura del testo si è presupposta una pre parazione di base da parte del lettore del tipo di quella wrnita mediamente nel biennio di ingegneria, oltre alla conoscenza di alcuni argomenti trattati usualmente nel terzo anno del corso di laurea in ingegneria elettronica. A tale riguardo sono stati di grandeaiutoper gli autori i consigli forniti in varie occasioni da molti dei loro coJ leqhi della Facoltà di Ingegneria di Roma, ai quali essi esprimono il loro più vivo ringraziamento. Gli Autori La cultura è un bene dell'umanità ([email protected]) La cultura è un bene dell'umanità ([email protected]) PREMESSA. Teoria dei circuiti come metodologia e suo impiego nel progetto di una struttura fisica. La complessità dei fenomeni naturali richiede,perunaloro valuta zione quantitativa ed una loro utilizzazione pratica, l'impiego di procedi menti che siano nello stesso tempo sufficientemente generali, semp!içi ed accurati. Essi debbono avere un carattere generale piuttosto che spe cifico in quanto tale caratteri!_:· 1) rende possibile una riunione dell ~ attività di 12 ersone che lavorano in ,campi diversi; 2) permette di utilizzare al massimo l'intuizione, in quanto ciò che in un particolare campo può essere la conseguenza di sole proprietà matemati che in un altro è conseguenza di evidenti proprietà fisiche. Per quanto riguarda la semplicità,essa viene raggiunta usualmente me diante una suddivisione del problema d'interesse in sub-problemi parzia li. Tale suddivisione ha il vantaggio sia di rendere più facili i singoli passi del procedimento sia di non perdere di vista l'obiettivo principale, ciò che potrebbe accadere senza la suddetta organizzazione. A titolo di esempio basti pensare a ciò a cui si andrebbe incontro se volessimo de scrivere il funzionamento di un televisore direttamente mediante le equa zioni di Ma xwell! Le auspicate caratteristiche di generalità e semplicità sono pos sedute in larga misura dall'approccio circuitale alla valutazione quanti tativa del comportamento di una struttura fisica ed al suo proporzionamen to finalizzato ad uno scopo pratico assegnato. Tale approccio prevede la riduzione della struttura fisica ad una connessione di elementi idealiz zati di pochi tipi. Quindi sono presenti in questo approccio due nozioni fondamentali: la e CO'!.!!§..WO.!L~» definita tramite un grafo e le e relazioni costitutive• degli elementi comeonenti E'interessante osservare che mol 1 te proprietà della struttura fisica in questo modo derivano semplicemente da vincoli di natura topologica legati al grafo. Per esempio tale aspetto porta a conclusioni molto interessanti nel caso delle strutture biochimi che, quali l'osservazione che alcuni comportamenti stabili sono conse guenza appunto dei vincoli topologici più che delle leggi della termodi namica (vedere ad es: Morowitz and al., e Passive stability in a metabo lic network>, !. Ther. Biol., 1964, 7, 98). Del resto ciò non deve 1Reravi gliare in quanto nel grafo confiuiscono in forma intuitiva parte delle leg- La cultura è un bene dell'umanità ([email protected])