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Un generatore elettrico fornisce energia elettrica al circuito e ne è parte essenziale (per un trattazione preliminare semplificata ed una panoramica vedi qui).
circuito elettrico

 

Il generatore negli schemi elettrici (nota1).

Solitamente si distingue tra

generatori di tensione e

generatori di corrente

a loro volta distinti fra generatori ideali e reali.  

 

Generatori ideali: simboli e convenzioni:

Il simbolo generico è un cerchio con un morsetto contrassegnato dal segno + (vedi figura sopra).

La tensione ai morsetti del generatore si indica con una freccia che punta al potenziale più alto (spesso contrassegnato dal segno +).

La corrente erogata, intesa come movimento delle cariche positive, si rappresenta con una freccia uscente dal morsetto a potenziale più alto (convenzione dei generatori).

 

gen V iUn generatore ideale di tensione mantiene sempre la stessa tensione, qualunque sia la corrente collegato. La tensione ai morsetti VAB è pari alla forza elettromotrice E:

VAB = E

Il disegno rappresenta il simbolo ed il grafico della tensione VAB al variare della corrente erogata I: la tensione erogata non cambia mai qualunque sia la corrente, anche se la corrente è negativa (inversa).

 

Il funzionamento a riposo (non eroga potenza) si ha con circuito aperto cioè in condizioni di non erogare corrente, detto anche "funzionamento a vuoto".

 

 

 

 

genI iUn generatore ideale di corrente mantiene sempre la stessa corrente, qualunque sia la tensione ai morsetti. La corrente erogata è pari alla corrente imposta I0:

I = I0

Il disegno rappresenta il simbolo ed il grafico della corrente erogata I al variare della tensione VAB ai morsetti: la corrente erogata non cambia mai qualunque sia la tensione, anche se negativa.

(attenzione allo scambio delle grandezze disposte sugli assi)

 

Il funzionamento a riposo (non eroga potenza) si ha con i morsetti in corto circuito, cioè in condizioni di avere tensione nulla ai suoi morsetti, detto anche "funzionamento in cortocircuito".

 

Approfondimenti sui generatori ideali:  wikipediaedutecnica.

 

I generatori reali di tensione e di corrente

Un generatore reale di tensione, quelli che usiamo sono tali, produce una tensione che risente del carico applicato. La tensione diminuisce aumentando la corrente, cioè la quantità di apparecchiature che si collegano (nota 2); questa diminuzione si chiama caduta di tensione da vuoto a carico.  

genV r

Nello studio dei circuiti elettrici si fa riferimento ad un simbolo diverso dal precedente proprio per indicare che si deve tenere conto della caduta di tensione interna.

La tensione ai morsetti dipende dalla corrente erogata e diminuisce con l'aumentare di questa. 

 

Negli schemi adattati allo studio analitico dei circuiti si usa linearizzare il fenomeno per cui si considera valido un grafico come quello a sinistra che rappresenta le seguenti cratteristiche:

- a vuoto (corrente zero) la tensione ai morsetti VAB è uguale alla forza elettromotrice (fem) E:

VAB = E

- con corrente positiva (carico crescente) la tensione VAB diminuisce progressivamente; la differenza di tensione fra E e VAB si chiama caduta di tensione interna o ∆V:

 ∆V = E - VAB 

- aumentando la corrente accade che la tensione ai morsetti VAB si annulli, questo è il funzionamento in corto circuito: VAB è zero allora tutta la forza elettromotrice serve a compensare la caduta di tensione interna (nota3) così che non viene alimentato più alcun circuito esterno:

 VAB = 0  quindi   ∆V = E

- con corrente invertita (ad esempio quando si carica una batteria) la VAB è maggiore della fem (nota4)

 

Lo schema equivalente del generatore reale di tensione è indicato a destra; si tiene conto della caduta di tensione interna per mezzo di una resistenza interna Ri conessa in serie al generatore ideale prima del morsetto di uscita a rappresentare il fenomento che parte della tensione (energia) prodotta viene consumata dentro il generatore e qundi non disponibile all'esterno.

genV r eq

La caduta di tensione interna (anche detta caduta di tensione da vuoto a carico) è:

∆V = E - VAB

Con lo schema equivalente usato, la caduta di tensione da vuoto a carico è dovuta unicamente alla resistenza interna Ri per cui:

∆V = E - VAB = Ri*I

La caratteristica elettrica V(I) di questo generatore reale linearizzato è rappresentata dall'espressione:

VAB =E - Ri*I

che spiega pienamente la retta inclinata del generatore reale di tensione vista sopra.

I generatori di tensione sono progettati per funzionare in zone prossime all funzionamento a vuoto per assicurare una tensione di alimentazione della apparecchiature accettabile. Di solito è indicata la massima corrente che possono erogare senza subire danni e si inseriscono dispositivi che limitano la durata del sovraccarico o del corto circuito.

 

Un esempio di misurazione della caduta di tensione da vuoto a carico si trova qui.

 

Un generatore reale di corrente, presenta una corrente che diminuisce all'aumentare della tensione ai morsetti.  

genI r

Anche qui si fa riferimento ad un simbolo diverso.

La corrente erogata dipende dalla tensione ai morsetti e diminuisce con l'aumentare di questa. 

Negli schemi adattati allo studio analitico dei circuiti si usa linearizzare il fenomeno per cui si considera valido un grafico come quello a sinistra che rappresenta le seguenti cratteristiche:

a tensione nulla (cortocircuito) (corrente zero) la corrente erogata è quella imposta dal generatore:

I = I0

- con tensione positiva (carico crescente) la corrente I0 diminuisce progressivamente e si ha una perdita interna d corrente;

- aumentando la tensione accade che tutta la corrente imposta viene assorbita all'interno del generatore e non ce n'è più a disposizione per il carico esterno.

 

 

Lo schema equivalente del generatore reale di corrente usato nello studio dei circuiti elettrici è rappresentato a destra.

gnI r eq

La resistenza interna Ri è connessa in parallelo al generatore ideale a rappresentare il fatto che aumentando la tensione, una parte crescente della corrente imposta dal generatore viene derivata prima dei morsetti esterni e qundi non è disponibile per i circuiti esterni

La perdita di corrente è

∆I= I0 - V

Con lo schema usato, la perdita di corrente è dovuta unicamente alla resistenza interna Ri per cui :

∆I = I0 - I = VAB/Ri

La caratteristica elettrica I(V) di questo generatore reale linearizzato è rappresentata dall'espressione:

I=I0 - VAB/Ri

che spiega pienamente la retta inclinata del generatore reale di corrente vista sopra.

I generatori di corrente sono progettati per funzionare in zone prossime al corto circuito. Per impedire che a circuito aperto si producano tensioni pericolose, si adottano limitatori di tensione. 

 

Nello studio dei circuiti elettrici è possibile sostituire un generatore reale di tensione con un generatore reale di corrente utilizzando il teorema di Norton oppure il teorema di Thévenin.

Sono disponibili nel sito approfondimenti:

generatori in parallelo

generatori in serie

 

Altri approfondimenti

 

Esercitazioni

Link alla misura della caduta di tensione interna di un generatore.

Link all'esercitazione di misura della caduta di tensione in una pila ed ai relativi esercizi.

Link alla misura della tensione di una pila che esaurisce la carica con uso di S4A ed Arduino (data logger)

 

note

nota 1: per studiare il funzionamento dei circuiti elettrici spesso i componenti reali usati vengono semplificati riducendoli a delle proprietà adatte ad una trattazione analitica; così si fa per resistori, condensatori ed induttori dove si fa finta, finchè si può, che lo studio del loro comportamento  si possa ridurre allo studio della loro proprietà prevalente: la resistenza, la capacità, l'induttanza. Non è diverso il caso dei generatori.

nota 2: quando si accendono i fari dell'auto o anche solo le luci del cruscotto e poi si avvia il motore, si vede chiaramente un abbassamento delle luci a causa della corrente assorbita dal motorino elettrico di avviamento che produce una caduta di tensione dentro la batteria stessa.

nota 3: VAB è zero, ... si spegne tutto .... meno il generatore che riversa al suo interno tutta l'energia che sta producendo (se si tratta di pile o batterie, possono esplodere).

nota 4: per caricare una batteria si applica il polo più del caricabatterie al polo più della batteria ed il caricabattie deve avere una fem maggiore di quella della pila. Una resistenza in serie provvede a limitare la corrente di carica a valori accettabili sia per la batteria che per il caricabatterie.