Obiettivi Formativi

Acquisire conoscenza e comprensione dei principi teorici dei circuiti elettrici ed elettronici di base, e degli strumenti metodologici fondamentali per l’analisi e la risoluzione degli stessi. In particolare, le principali conoscenze acquisite riguarderanno le relazioni fondamentali della teoria dei circuiti, i modelli comportamentali di tutti i bipoli elettrici e dei principali doppi bipoli, ed i metodi di analisi dei circuiti elettrici ed elettronici operanti in corrente continua (DC), in transitorio, e in regime sinusoidale (AC). Sviluppare la capacità di descrivere qualitativamente e quantitativamente il comportamento di circuiti lineari in vari regimi operativi, applicando i diversi strumenti forniti. Sviluppare la capacità di individuare autonomamente gli strumenti necessari all'analisi, alla comprensione e alla risoluzione dei circuiti, anche attraverso esercitazioni individuali e di gruppo o attraverso l'integrazione delle conoscenze acquisite con indagini bibliografiche personali, tali da consentire un confronto critico tra le diverse soluzioni possibili e l’elaborazione autonoma dei concetti. Sviluppare la capacità di intendere ed utilizzare il linguaggio tecnico appropriato alla disciplina, di saper illustrare i vantaggi e gli svantaggi delle soluzioni alternative alle problematiche dei circuiti, in vista del rapporto con interlocutori sia specialistici sia non del settore. Sviluppare un metodo di studio individuale adeguato a consentire l'approfondimento delle conoscenze e ad affrontare ulteriori tematiche avanzate nei settori dell’Ingegneria Elettronica e Informatica.

Learning Goals

Knowledge and comprehension of the theoretical principles of the basic electrical and electronic circuits, and of the fundamental methodological tools for the analysis and resolution of those circuits with special concern for the fundamental relationships of the circuit theory, the models of all electrical two-terminal elements and the main four-terminal elements, the methods of analysis of electrical and electronic circuits operating in direct current (DC), in transient regime and in alternating current (AC). Acquisition of the ability to describe, qualitatively and quantitatively, the behavior of linear circuits in steady state, at low and high frequency, at resonance, in transient regime, applying the different provided tools. Acquisition of the ability to independently identify the necessary tools for the analysis, understanding and resolution of circuits, also through individual and group exercises or through the integration of the knowledge acquired by means of personal bibliographic investigations. This ability will allow a critical comparison among the different possible solutions and the autonomous elaboration of the concepts. Acquisition of the ability to understand and use the appropriate technical language of the discipline. They will be able to illustrate the advantages and disadvantages of alternative solutions to circuit problems, in view of the exchange with both specialist and non-specialist interlocutors. Development of an appropriate individual study method to allow the deepening of knowledge and to address further advanced challenges in the fields of Electronic and Computer Engineering.

Metodi didattici

Il corso prevede lo svolgimento di lezioni frontali e di esercitazioni in aula, queste ultime sia individuali, sia di gruppo, con analisi critica dei risultati e discussione in aula.

Teaching Methods

The course includes lectures and numerical exercises in the classroom, the latter both individually and in group, with critical analysis of the results and discussion in the classroom.

Prerequisiti

Principi fondamentali di analisi matematica (risoluzione di sistemi di equazioni lineari e di semplici equazioni differenziali di primo e secondo ordine, numeri complessi) e di fisica (elettromagnetismo).

Prerequisites

Knowledge of the fundamental principles of mathematical analysis (systems of linear equations, simple first and second order differential equations, complex numbers) and physics (electromagnetism).

Verifiche dell'apprendimento

La valutazione dell'apprendimento è effettuata tramite due prove, una scritta e una orale. La prova scritta è basata sulla risoluzione di circuiti elettrici, in continua o in alternata, tramite gli strumenti risolutivi forniti durante il corso. Essa serve quindi a verificare la capacità di applicare le conoscenze acquisite alla risoluzione di problemi ingegneristici relativi a circuiti elettrici ed elettronici. La valutazione della prova scritta sarà espressa in trentesimi e farà media con la prova orale. Gli studenti possono svolgere la prova orale nell’appello dello scritto o in quello successivo. La prova orale consiste in una discussione su argomenti tratti da tutto il programma svolto a lezione, al fine di poter valutare l’acquisizione degli obiettivi formativi specifici del corso. Se, entro il limite di validità dello scritto, lo studente non dimostra l’acquisizione degli obiettivi formativi specifici con una prova orale almeno sufficiente, deve rifare la prova scritta. La valutazione finale, espressa in trentesimi, è stabilita giudicando complessivamente le due prove.

Assessment

The learning assessment is carried out through two tests, one written and one oral. The written exam is based on the resolution of electrical circuits, in direct and alternating current, using the resolution tools provided during the course. The test is therefore used to verify the ability to apply the acquired knowledge to the resolution of engineering problems related to electrical and electronic circuits. The evaluation of the written test is expressed in thirtieths and the test will average with the oral test Students can take the oral test in the same round of exams or in the next one. The oral exam consists of a discussion on topics drawn from the whole program of the course, to evaluate the acquisition of the specific training objectives of the course. If, within the term limit of the written test, the student does not demonstrate the acquisition of the specific training objectives with at least sufficient oral proof, he must redo the written test. The final assessment, expressed in thirtieths, is established by judging the two tests in total.

Programma del Corso

-INTRODUZIONE: Circuiti elettrici, utilizzatori e generatori. Circuiti a parametri concentrati. Carica e corrente, tensione, potenza ed energia, convenzioni degli utilizzatori e dei generatori. Bipoli, lineari e non lineari, tempo varianti e tempo invarianti. Collegamento in serie e parallelo di bipoli. -RESISTORI E GENERATORI: Resistori lineari e non lineari, legge di Ohm, potenza elettrica dissipata in un resistore. Generatori indipendenti di tensione e corrente, reali e ideali, legge di Ohm generalizzata, forme d’onda (costante per regime continuo DC, sinusoidale per regime alternato AC). Nodi, rami e maglie di un circuito elettrico, leggi di Kirchhoff alle correnti e alle tensioni, risoluzione dei circuiti tramite le leggi di Kirchhoff, la regola del taglio. Resistori in serie e in parallelo, partitore di tensione e di corrente, trasformazioni stella-triangolo e triangolo-stella. Strumenti di misura e loro collegamento, voltmetro, amperometro, wattmetro. -GRAFI E METODI SISTEMATICI PER LA RISOLUZIONE DEI CIRCUITI: Teoria dei grafi.  Metodi degli anelli e delle maglie. Metodi degli anelli e delle maglie modificati. Insiemi di taglio e maglie. -TEOREMI DELLE RETI: Linearità di un circuito elettrico. Principio di sovrapposizione degli effetti. Teorema di Thevenin, teorema di Norton, calcolo della resistenza di una rete vista da due punti, trasformazione dei generatori reali. Collegamento di generatori di tensione e corrente, generatori prevalenti, teorema di Millman per generatori reali di tensione in parallelo, teorema di Millman in presenza di generatori di corrente. Massimo trasferimento di potenza. Generatori controllati di corrente e di tensione, calcolo della resistenza equivalente in presenza di generatori controllati. -CONDENSATORI E INDUTTORI: Principio fisico di funzionamento dei condensatori, condensatori in serie e in parallelo, energia immagazzinata nel condensatore. Transitorio RC in regime continuo. Principio fisico di funzionamento degli induttori, induttori in serie e parallelo, legge di Biot-Savart, forza magneto-motrice, legge di Lenz, energia immagazzinata nell’induttore, condensatore e induttore bipoli inerziali. Transitorio RL in regime continuo. Mutua induzione, coefficiente di accoppiamento, ripartizione del flusso. Energia elettrica immagazzinata in induttori accoppiati. -REGIME SINUSOIDALE E FASORI: Grandezze periodiche, alternate, sinusoidali, valore medio, valore efficace, valore massimo, definizione di vettore rotante e di fasore, richiami sui numeri complessi, operazioni sui fasori e loro proprietà, risposta in regime sinusoidale, legge di Ohm in regime sinusoidale, definizione di impedenza, ammettenza, conduttanza e suscettanza, composizione di impedenze. -ANALISI IN REGIME SINUSOIDALE: Risoluzione dei circuiti in regime sinusoidali, principio di sovrapposizione, trasformazione dei generatori, circuiti equivalenti di Thevenin e Norton, circuiti risonanti serie e parallelo, risposta in frequenza di un circuito RLC serie, cenni sui filtri passa-banda, taglia-banda, passa-alto, passa-basso. -POTENZA IN REGIME SINUSOIDALE E RIFASAMENTO: Potenza istantanea, potenza fluttuante, potenza attiva istantanea e reattiva istantanea, potenza attiva e reattiva, potenza apparente, potenza complessa, fattore di potenza, teorema sul massimo trasferimento di potenza attiva, teorema di Boucherot, rifasamento totale e rifasamento parziale. -REGIME PERIODICO NON SINUSOIDALE: Sviluppo in serie di Fourier, armoniche, coefficiente di deformazione, potenze in regime deformato. -CIRCUITI IN REGIME TRANSITORIO: Funzioni elementari e perturbazioni prolungate. Circuiti del primo ordine: RC e RL. Circuiti del secondo ordine: RLC. Analisi nel dominio del tempo. Analisi tramite trasformata di Laplace. Evoluzione libera.

Course Syllabus

-INTRODUCTION: Electrical circuits, users and generators. Lumped element circuits. Charge and current, voltage, power and energy, conventions of users and generators. Two-terminal devices, linear and non-linear, time-variant and time-invariant. Series and parallel connection. -RESISTORS AND GENERATORS: Linear and non-linear resistors, Ohm's law, electrical power dissipated in a resistor. Independent generators of voltage and current, real and ideal, generalized Ohm’s law, waveforms (constant for continuous DC regime, sine for alternating AC regime). Knots, branches, and meshes of an electrical circuit, Kirchhoff laws of currents and voltage, resolution of circuits through the laws of Kirchhoff, the rule of cutting. Resistors in series and in parallel, voltage and current dividers, star-delta and delta-star transformations. Measuring tools and their connection, voltmeter, amperemeter, wattmeter. -GRAPHS AND SYSTEMATIC METHODS FOR CIRCUIT RESOLUTION: Graph theory. Methods of rings and meshes. Modified ring and mesh methods. Cut sets and meshes. -NETWORK THEOREMS: Linearity of an electrical circuit. Principle of additivity. Thevenin's theorem, Norton's theorem, calculation of the resistance of a network from two points, transformation of real generators. Connection of voltage and current generators, prevailing generators, Millman's theorem for real voltage generators in parallel, Millman's theorem in the presence of current generators. Maximum power transfer. Controlled current and voltage generators, equivalent resistance calculation in the presence of controlled generators. -CAPACITORS AND INDUCTORS: Physical principle of operation of capacitors, capacitors in series and parallel, energy stored in the capacitor. Transient RC in DC. Physical principle of operation of inductors, inductors in series and parallel, Biot-Savart law, magnet-motor force, Lenz's law, energy stored in the inductor, capacitor and inductor as inertial devices. Transient RL in DC. Mutual induction, coupling coefficient, flow divider. Electric energy stored in coupled inductors. -AC REGIME and PHASORS: Periodic, alternate, sine, average value, effective value, maximum value, definition of rotating vector and phasor, complex numbers, operations on phasors and their properties, sine response, Ohm’s law in AC, definition of impedance, admittance, conductance and susceptance, composition of impedances. -ANALYSIS IN AC: AC circuits resolution, principle of additivity, generators transformation, equivalent circuits of Thevenin and Norton, series and parallel resonant circuits, frequency response of a RLC series circuit, band-pass, band-cutting, high pass, low pass filters. -POWER IN AC AND POWER FACTOR CORRECTION: Instantaneous power, oscillating power, instantaneous active and instantaneous reactive power, active and reactive power, apparent power, complex power, power factor, theorem on maximum active power transfer, Boucherot's theorem, total and partial power factor correction. -PERIODIC AND NOT SINUSOIDAL REGIME: Fourier series development, harmonics, strain coefficient, powers. -TRANSIENT CIRCUITS: Elementary functions and prolonged disturbances. First-order circuits: RC and RL. Second-order circuits: RLC. Analysis in the time domain. Laplace's transform analysis. Free evolution.