La corrente alternata.La corrente alternata.La corrente alternata è caratterizzata da un flusso di corrente variabile nel tempo sia in

intensità che in direzione ad intervalli più o meno regolari. L’andamento del valore di tensione

elettrica nel tempo è la forma d’onda. L’energia elettrica comunemente distribuita ha una forma d’onda sinusoidale. Il numero di ripetizioni di uno stesso periodo in un secondo è la frequenza e si

misura in Hertz.

Altre grandezze caratteristiche di una corrente alternata sono:

1) Ampiezza, distanza tra l’asse orizzontale e il massimo valore di cresta positivo o negativo.2) Frequenza, indica il numero dei periodi che si ripetono in un secondo. L’unità di misura è l’Hertz (Hz).3) Periodo, indica l’intervallo di tempo compreso fra due valori identici. si indica con T e l’unità di misura è il secondo.4) Pulsazione, indica la frequenza per 2π. Si indica con ω. Tra la frequenza f e il periodo T sussiste la seguente relazione f = 1/T. Se colleghiamo ai poli del generatore una resistenza R in

essa circolerà una corrente alternata del valore I = E / R. Possiamo allora concludere che nel caso in cui un circuito

puramente ohmico viene alimentato da una tensione alternata la prima legge di Ohm resta ancora valida.

Per una corrente alternata sinusoidale si Per una corrente alternata sinusoidale si possono calcolare i possono calcolare i valorivalori efficaciefficaci della della

tensione E e dell’intensità di corrente I ovvero:tensione E e dell’intensità di corrente I ovvero:

EEeffeff = = EEoo I Ieffeff = = IIoo √ √2 √2 2 √2

dove Edove Eoo e I e Ioo sono i valori massimi della tensione sono i valori massimi della tensione e della corrente. La corrente alternata circolante e della corrente. La corrente alternata circolante

in un circuito ohmico in un circuito ohmico produce effetti uguali produce effetti uguali a a quelli generati da una corrente continua quelli generati da una corrente continua

passante per lo stesso circuito passante per lo stesso circuito se il valore se il valore efficace della c.a. è pari a quello della corrente efficace della c.a. è pari a quello della corrente

continua. continua. Per produrre energia elettrica alternata Per produrre energia elettrica alternata si ricorre a particolari macchine chiamati si ricorre a particolari macchine chiamati

alternatorialternatori..

CIRCUITI IN CORRENTE ALTERNATA.CIRCUITI IN CORRENTE ALTERNATA.1. 1. - Circuito ohmico.- Circuito ohmico.

• Si è detto precedentemente che se colleghiamo ai terminali di un carico puramente resistivo una tensione alternata in esso circolerà una corrente alternata avente lo stesso periodo ed è in fase con la tensione. (vedi disegno). Ciò vuol dire che tensione e corrente assumono negli stessi istanti tutti i valori compresi tra il

massimo ed il minimo.

•

Possiamo allora concludere che la prima legge di Possiamo allora concludere che la prima legge di Ohm resta ancora valida per carichi solo resistivi. Ohm resta ancora valida per carichi solo resistivi. La stessa relazione vale per i valori efficaci. La stessa relazione vale per i valori efficaci.

2 - Circuito induttivo2 - Circuito induttivo..Consideriamo un circuito avente un’induttanza alimentata da Consideriamo un circuito avente un’induttanza alimentata da

un generatore di tensione alternata. un generatore di tensione alternata.

•

•

L’induttanza L determinerà una corrente che per la legge di Lenz si oppone a quella primaria erogata

dal generatore.

Ne consegue che l’induttanza influisce sulla corrente del Ne consegue che l’induttanza influisce sulla corrente del circuito tale da portare uno sfasamento di 90 gradi in ritardo circuito tale da portare uno sfasamento di 90 gradi in ritardo

rispetto alla tensione rispetto alla tensione EE. Si noti che tensione e corrente . Si noti che tensione e corrente hanno lo stesso periodo. hanno lo stesso periodo.

3 - Circuito capacitivo.3 - Circuito capacitivo.Consideriamo un circuito contenente una capacità C Consideriamo un circuito contenente una capacità C alimentata dal generatore di tensione alternata alimentata dal generatore di tensione alternata EE..

• Inizialmente il condensatore si carica e subito avviene la fase di scarica proprio in corrispondenza dell’istante in cui la tensione inizia a decrescere. Poi si seguono una fase di carica in verso

opposto e una successiva fase di scarica. Queste fasi si alternano ad intervalli regolari di un quarto di periodo.

La corrente alternata che circolerà avrà lo stesso periodo, ma La corrente alternata che circolerà avrà lo stesso periodo, ma risulta sfasata in anticipo di 90 gradi rispetto la tensione. risulta sfasata in anticipo di 90 gradi rispetto la tensione.

I circuiti risonantiI circuiti risonanti

• Consideriamo il circuito RLC serie alimentato da un generatore di tensione alternata di frequenza f◦.

•

• Per la legge di Ohm si ha:• I = E/Z essendo Z l’ impedenza del circuito

che vale Z = √ R² + (ωL- 1/ωC)² in cui R è la resistenza del circuito, L l’autoinduzione, C la capacità, ωla pulsazione che vale 2πf◦. Il termine ωL – 1/ωC si chiama reattanza del circuito, mentre ωL prende il nome di reattanza induttiva e 1/ωC reattanza capacitiva . A seconda che prevale il termine ωL o il termine 1/ωC la corrente risulta sfasata di 90 gradi in ritardo o in anticipo rispetto la tensione.

• Quando ωL e 1/ωC hanno uguale valore allora il circuito si riduce ad una semplice resistenza e la corrente torna in fase con la tensione . Di conseguenza si ha il massimo valore di corrente circolante. Si dice allora che il circuito è in risonanza, e la frequenza cui si manifesta il fenomeno è detta frequenza di risonanza. Il suo valore è pari a f◦= 1/2π√LC. Riassumendo un circuito RCL serie presenta un’impedenza molto bassa per valori di frequenza intorno a f◦.

Circuito risonante RLC parallelo.Circuito risonante RLC parallelo. • In questa configurazione possiamo ricavare, per la legge di

Ohm, la corrente in esso circolante. I = E / Z essendo Z l’impedenza del circuito che vale 1 / √ 1/R²+(ωC-1/ωL)². Anche in questo caso si dice che il circuito entra in risonanza, quando le due reattanze hanno uguale valore. In particolar modo l’impedenza in circuito RLC parallelo presenta in risonanza, un valore molto grande, (in pratica uguale a R ).

• La frequenza cui si manifesta il fenomeno è detta frequenza di risonanza.

• Il suo valore è pari a f◦= 1/2π√LC. Questa configurazione del circuito RLC parallelo è molto adoperata nei classici circuiti selettivi degli oscillatori o negli amplificatori a radiofrequenza. (trasmettitori).

Curva di risonanza.Curva di risonanza.

Il risonatore a quarzo.Il risonatore a quarzo.• Il quarzo è un minerale composto di biossido di

silicio, e si presenta sotto forma di cristalli prismatici. E’ incolore e trasparente. Resiste a

temperature molto elevate. Presenta una discreta durezza, ma soprattutto ha

caratteristiche piezoelettriche. Usato in svariati settori, trova largo impiego nelle

costruzioni radio-elettriche (oscillatori,filtri). Il quarzo ha la proprietà di subire deformazione meccanica se viene sottoposto a un campo

elettrico. Viceversa, genera un campo elettrico se è sottoposto a sollecitazione meccanica.

• In questo modo una piastrina di quarzo, tagliata in un certo modo, e posta fra due elettrodi metallici, inizia ad oscillare se ai suoi terminali viene applicata una tensione alternata. ( vari tipi di quarzo )

• In pratica si comporta come un circuito RLC serie, e risuona alla frequenza per il quale è stato tagliato. E’ possibili attuare risonatore a quarzo nel campo di qualche decina di kHz a diverse decine di MHz. Si ha inoltre la possibilità di far risuonare la piastrina di quarzo oltre che sulla sua frequenza fondamentale, anche su una frequenza armonica (overtone). In questo modo si raggiungono facilmente risonanze oltre i 100 MHz. Sostituendo con un quarzo il circuito risonante in un oscillatore, questo gli conferirà altissimo grado di stabilità. Il risultato è quello di avere un oscillatore che genera una frequenza di ampiezza costante nel tempo. Nelle apparecchiature rice-trasmittenti viene impiegato negli oscillatori, nei filtri in genere.

• Simbolo del quarzo

Gli Oscillatori.Gli Oscillatori. • Un circuito elettronico in grado di generare un

segnale sinusoidale di frequenza predeterminata, senza l'intervento di alcuna eccitazione esterna, prende il nome di oscillatore sinusoidale. Questi dispositivi elettronici sono sostanzialmente degli amplificatori che, a regime, si auto pilotano. Diverse sono le tecniche utilizzate per la generazione dei segnali sinusoidali in relazioni al campo di frequenza d'interesse. La soluzione più classica adottata,, consiste nel portare in oscillazione spontanea un amplificatore sottoposto a reazione positiva.Ciò significa che il circuito di retroreazione deve soddisfare alcune condizioni.

• In pratica l'auto innesco è reso possibile dalla presenza di una componente di rumore termico. Questa componente di valore infinitesimale viene amplificata in maniera esclusiva dall'anello di reazione, trasformandosi in un'oscillazione di ampiezza elevata.

• Inoltre al fine di ottenere l'auto innesco delle oscillazione, l'amplificatore deve funzionare in modo lineare con un guadagno leggermente superiore ad 1. Successivamente, col crescere dell'ampiezza dell'oscillazione, la diminuzione di A, causata dai fenomeni di non linearità, riporta gradualmente il valore ad 1, con conseguente stabilizzazione dell'ampiezza.

• I circuiti impiegati per la generazione di oscillazioni sinusoidali persistenti sono di tre tipi fondamentali, distinti dal diverso sistema di collegamento tra l’ingresso e l’uscita.

Oscillatore Hartley.Oscillatore Hartley.• Il principio di funzionamento è il seguente:• una qualsiasi perturbazione (ad esempio la

chiusura del circuito) induce una tensione variabile nel circuito di ingresso,che amplificata la ritroviamo nel circuito oscillatorio. Questa tensione è tale da caricare il condensatore, e quindi di provocare l’ inizio delle oscillazioni.

• Ai capi dell’induttore L, per il passaggio della corrente oscillatoria, si manifesta una tensione, una parte della quale, prelevata da una presa intermedia (partitore induttivo), viene riportata all’ ingresso del sistema provocando un nuovo impulso di corrente all’uscita, il quale ricarica il condensatore C e il ciclo si ripete.

Oscillatore Oscillatore Colpitts.Colpitts. • Nel caso in cui la capacità del gruppo LC

viene attuata con due condensatori in serie, il punto centrale ( partitore capacitivo) è connesso con l’emettitore attraverso il gruppo di polarizzazione .

Oscillatore Oscillatore Meissner.Meissner. • Un tipico oscillatore sinusoidale è l’oscillatore di

Meissner (vedi fig) dove il collegamento tra l’ingresso e l’uscita avviene tramite un accoppiamento induttivo.

• In tutti i tipi di oscillatori esaminati vi è quindi un trasporto di energia dall’ingresso all’uscita,che serve a mantenere le oscillazioni persistenti nel circuito, senza che nessuna tensione variabile esterna venga applicata all’ oscillatore. In questo caso si dice che l’oscillatore è autoeccitato mediante un fenomeno di reazione positiva tra circuito d’ingresso e circuito d’uscita.

• In pratica si considera un oscillatore come un amplificatore selettivo cioè capace di amplificare solo segnali a frequenza determinata ottenendo oscillazioni sinusoidali.

Gli oscillatori a quarzo.Gli oscillatori a quarzo.• Il quarzo si comporta come un circuito oscillatorio

costituito da L e C, cioè circuito in parallelo. Quando regolando C si ottiene la stessa frequenza di oscillazione del circuito di base, il dispositivo entra in oscillazione continua per la capacità parassita Cp tra base e collettore, e la tensione di uscita Vu ha la stessa frequenza del quarzo. Gli oscillatori a quarzo sono realizzati in modo da ottenere una piccola tensione all’uscita ma assicurando un’alta stabilità nel valore della frequenza generata. (oscillatore di Miller).

L’ Amplificazione.L’ Amplificazione.

• E’ un processo nel quale un qualsiasi segnale elettrico subisce un opportuno “ingrandimento” detto amplificazione, senza che ne venga alterata la forma.

• In questi casi si definisce amplificazione “lineare”

L’amplificatore L’amplificatore elettronico.elettronico.

• Ogni singolo stadio di amplificazione (vedi fig.)

• viene detto comunemente amplificatore. Ognuno di esso può contenere uno o più elementi attivi (transistore,valvole, integrati),

• L’amplificazione totale di un amplificatore a più stadi è il prodotto delle amplificazioni dei singoli stadi.

• A seconda della tipologia di impiego, gli amplificatori• si suddividono in tre principali classi di

funzionamento

L’amplificatore L’amplificatore elettronico.elettronico.

collegati tra loro in modo di avere un alto grado di amplificazione. Essi vengono alimentati con tensione continua. Ciascuno stadio può funzionare secondo la sua polarizzazione in base alle quali si hanno le classi di funzionamento.

Le principali classi di funzionamento di un Le principali classi di funzionamento di un amplificatore sono:amplificatore sono:

classe A, classe B , classe C.classe A, classe B , classe C.

• Un amplificatore lavora in classe A quando la corrente (anodica o di collettore) circola per tutto il periodo.

• Scegliendo opportunamente il punto di lavoro (polarizzazione) dello stadio amplificatore, e applicando all’ingresso un segnale, si ottiene sempre circolazione di corrente sul carico.

• Se invece si sposta il punto di lavoro, in modo che vi sia passaggio di corrente per mezzo periodo, si dice, allora, che il dispositivo lavora in classe B. Infine, quando la corrente circola per meno di mezzo periodo, si ha il funzionamento in classe C.

Classi di amplificazioneClassi di amplificazione

Se invece si sposta il punto di lavoro, in modo che vi Se invece si sposta il punto di lavoro, in modo che vi sia passaggio di corrente per messo periodo, si dice sia passaggio di corrente per messo periodo, si dice allora che lo stadio lavora in allora che lo stadio lavora in classe Bclasse B..

. Infine, quando la corrente circola per meno di . Infine, quando la corrente circola per meno di

mezzo periodo, si ha il funzionamento in mezzo periodo, si ha il funzionamento in classe C.classe C.

..• Il rendimento che si ottiene con questa classe di

funzionamento è massimo (90%) rispetto alle altre due classi e per questo è adoperato. Gli impulsi di corrente sul transistore finale di potenza mettono in funzione il circuito oscillatorio e ricostruisce l’intera onda.