[Elettronica analogica] Analisi di un circuito con diodi ideali

lucamennoia
Conosco la teoria ma non riesco a trovare un approccio con cui rispondere alla domanda fattami su questo circuito:

ricavare la caratteristica di trasferimento del circuito supponendo che i diodi siano ideali.

[fcd="Schema elettrico"][FIDOCAD]
MC 95 25 1 0 200
MC 70 40 3 1 200
MC 70 80 1 0 ihram.res
FCJ
TY 80 90 4 3 0 0 0 *
TY 50 85 4 3 0 0 0 * 10 kΩ
MC 35 25 0 0 ihram.res
FCJ
TY 45 35 4 3 0 0 0 *
TY 35 16 4 3 0 0 0 * 10 kΩ
MC 95 80 1 0 ihram.res
FCJ
TY 105 90 4 3 0 0 0 *
TY 100 85 4 3 0 0 0 * 10 kΩ
MC 95 50 0 0 450
FCJ
TY 105 60 4 3 0 0 0 *
TY 100 50 4 3 0 0 0 * 5 V
MC 70 70 2 0 450
FCJ
TY 80 80 4 3 0 0 0 *
TY 55 50 4 3 0 0 0 * 5 V
LI 50 25 125 25 0
LI 70 40 70 50 0
LI 95 40 95 50 0
LI 70 70 70 80 0
LI 95 70 95 80 0
LI 70 95 70 105 0
LI 95 95 95 105 0
LI 15 25 35 25 0
LI 125 105 15 105 0
MC 125 25 0 0 000
FCJ
TY 127 61 4 3 0 0 0 * Vo
TY 135 30 4 3 0 0 0 *
MC 125 105 0 0 000
MC 15 25 2 0 000
FCJ
TY 8 60 4 3 0 0 0 * Vi
TY 25 30 4 3 0 0 0 *
MC 15 105 2 0 000[/fcd]

Devo scrivere l'espressione del rapporto \(\displaystyle \frac{V_o}{V_i} \).
Il modello del diodo ideale permette di sostituire il diodo con un corto circuito per tensioni positive e con un circuito aperto per tensioni negative. Ho letto un esempio sul mio libro ma non mi è stato sufficiente a capire come risolvere questo circuito.

Risposte
RenzoDF
Notato che in entrambi i rami contenenti i diodi i generatori di tensione vanno ad aumentare la soglia di conduzione del ramo stesso da zero a 5 volt,

[fcd="fig.1"][FIDOCAD]
FJC A 0.4
FJC B 0.4
MC 100 30 1 0 200
MC 75 45 3 1 200
MC 75 85 1 0 ihram.res
FCJ
TY 85 95 4 3 0 0 0 *
TY 55 90 4 3 0 0 0 * 10 kΩ
MC 40 30 0 0 ihram.res
FCJ
TY 50 40 4 3 0 0 0 *
TY 40 21 4 3 0 0 0 * 10 kΩ
MC 100 85 1 0 ihram.res
FCJ
TY 110 95 4 3 0 0 0 *
TY 105 90 4 3 0 0 0 * 10 kΩ
MC 100 55 0 0 450
FCJ
TY 110 65 4 3 0 0 0 *
TY 105 70 4 3 0 0 0 * 5 V
MC 75 75 2 0 450
FCJ
TY 85 85 4 3 0 0 0 *
TY 60 70 4 3 0 0 0 * 5 V
LI 55 30 130 30 0
LI 75 45 75 55 0
LI 100 45 100 55 0
LI 75 75 75 85 0
LI 100 75 100 85 0
LI 75 100 75 110 0
LI 100 100 100 110 0
LI 20 30 40 30 0
LI 130 110 20 110 0
MC 130 30 0 0 000
FCJ
TY 132 66 4 3 0 0 0 * Vo
TY 140 35 4 3 0 0 0 *
MC 130 110 0 0 000
MC 20 30 2 0 000
FCJ
TY 13 65 4 3 0 0 0 * Vi
TY 30 35 4 3 0 0 0 *
MC 20 110 2 0 000
TY 15 40 4 3 0 1 0 * +
TY 132 39 4 3 0 1 0 * +
TY 62 37 4 3 0 0 0 * D1
TY 107 36 4 3 0 0 0 * D2
TY 133 98 4 3 0 1 0 * -
TY 15 100 4 3 0 1 0 * -
MC 70 56 3 0 074
MC 104 51 1 0 074
TY 60 51 4 3 0 0 0 * I1
TY 108 51 4 3 0 0 0 * I2[/fcd]

il discorso è semplice, in quanto il diodo D1 risulterà conduttivo solo per tensioni di ingresso negative e inferiori a -5 volt mentre (simmetricamente) il diodo D2 risulterà conduttivo solo per tensioni di ingresso Vi superiori a +5 volt; avremo quindi nella transcaratteristica tre intervalli:

a) Vi < -5V con diodo D1 ON (e D2 OFF)

b) -5V < Vi < 5V con entrambi i diodi OFF

c) Vi > +5V con diodo D2 ON (e D1 OFF)

Detto questo possiamo ricavare la tensione Vo di uscita notando che nei tre intervalli avremo rispettivamente:

a) corrente I1 circolante nel solo ramo sinistro, pari a .... con verso antiorario e tensione d'uscita ....

b) nessuna circolazione di corrente in quanto entrambi i diodi risultano non conduttivi e quindi Vo= ....

c) corrente I2 circolante nel solo ramo destro, pari a .... con verso orario e tensione d'uscita ....

Lascio a te completare.

BTW complimenti per lo schema :smt023 ... vedendo "quello" che graficamente si ha il coraggio di postare su questo Forum, meriteresti una medaglia. :D

lucamennoia
Allora facevo bene a pensare che ci son tante caratteristiche quanti sono i circuiti che si ottengono dal cambiamento di stato dei diodi.

Nel caso b) con entrambi i diodi in interdizione si ha \(\displaystyle V_i = V_o \) per cui la caratteristica è 1. Giusto?

Nel caso a) D2 è in interdizione, D1 no e si ha: \(\displaystyle i_1 = \frac{V_i - 5 V}{2 R} \) con \(\displaystyle V_i < - 5 V \)che dev'essere per forza in funzione di \(\displaystyle V_i \) però non riesco a calcolare il rapporto \(\displaystyle \frac{V_o}{V_i} \)

Il caso c) con D1 in interdizione e D2 no è analogo al caso a) per cui ho le stesse difficoltà. \(\displaystyle i_2 = \frac{V_i - 5 V}{2 R}\) con \(\displaystyle V_i > 5 V \).

RenzoDF
"lucamennoia":
...Allora facevo bene a pensare che ci son tante caratteristiche quanti sono i circuiti che si ottengono dal cambiamento di stato dei diodi.

Certo, quando ci sono di mezzo dei diodi, la transcaratteristica risulta continua a tratti.

"lucamennoia":
... Nel caso b) con entrambi i diodi in interdizione si ha \(\displaystyle V_i = V_o \) per cui la caratteristica è 1. Giusto?

Si, il rapporto uscita ingresso è unitario.

"lucamennoia":
... Nel caso a) D2 è in interdizione, D1 no e si ha: \(\displaystyle i_1 = \frac{V_i - 5 V}{2 R} \) con \(\displaystyle V_i < - 5 V \)che dev'essere per forza in funzione di \(\displaystyle V_i \) però non riesco a calcolare il rapporto \(\displaystyle \frac{V_o}{V_i} \)

Non proprio, assumendo i versi convenzionali indicati nello schema avremo che

$i_1 = \frac{-V_i - 5}{2 R}$

e quindi, andando a ricavare la tensione d'uscita con una (mezza) KVL sul ramo conduttivo

$V_o=-Ri_i-5=\frac{V_i-5}{2}$

e così anche simmetricamente si potrà fare anche per $V_i > 5V$, ottenendo

$V_o=\frac{V_i+5}{2}$

graficamente avremo quindi la seguente transcaratteristica ingresso-uscita

[fcd="fig.1"][FIDOCAD]
FJC A 0.4
FJC B 0.4
LI 84 14 84 109 0
FCJ 1 0 3 1 0 0
LI 84 94 84 94 0
LI 29 64 159 64 0
FCJ 2 0 3 1 0 0
LI 129 64 129 64 0
TY 157 67 4 3 0 0 0 * vi
TY 87 9 4 3 0 0 0 * vo
LI 84 64 109 39 0
LI 109 39 109 39 0
LI 109 64 109 64 0
LI 109 39 140 24 0
TY 76 37 4 3 0 0 0 * 5
TY 108 66 4 3 0 0 0 * 5
TY 130 66 4 3 0 0 0 * 10
TY 74 23 4 3 0 0 0 * 7
LI 59 89 28 104 0
LI 84 64 59 89 0
LI 59 89 59 89 0
TY 76 24 4 3 0 0 0 * .
TY 78 23 4 3 0 0 0 * 5
LI 109 39 109 64 13
FCJ 0 0 3 2 1 0
LI 34 101 34 64 13
FCJ 0 0 3 2 1 0
LI 59 89 84 89 13
FCJ 0 0 3 2 1 0
LI 34 101 84 101 13
FCJ 0 0 3 2 1 0
LI 59 89 59 64 13
FCJ 0 0 3 2 1 0
LI 134 27 84 27 13
FCJ 0 0 3 2 1 0
LI 134 27 134 64 13
FCJ 0 0 3 2 1 0
LI 109 39 84 39 13
FCJ 0 0 3 2 1 0[/fcd]

che con un po' di pratica si sarebbe potuta tracciare direttamente osservando come per $|V_i|>5$ la caratteristica prosegua con coefficiente angolare dimezzato a causa della equipartizione dei volt in eccesso a 5 sui due resistori: R serie e R di ramo.

lucamennoia
Ti ringrazio, mi sei di grande aiuto!
Un solo dubbio mi blocca ancora ed è dovuto a una mia (imbarazzante) lacuna in elettrotecnica, che spero di colmare adesso con il tuo aiuto: spesso sbaglio a scegliere le polarità dei bipoli e di conseguenza scrivo male le KVL, come è capitato nella mia precedente risposta.

Ad esempio nel circuito ottenuto quando D1 è in conduzione e D2 in interdizione se seguo la convenzione dell'utilizzatore ho:

\(\displaystyle -Ri_1 + 5 V + V_o = 0 \) da cui \(\displaystyle V_o = Ri_1 - 5 V \).

Motiverei questa mia scelta dando queste spiegazioni:

1) la corrente i1 entra dal morsetto negativo del resistore per cui la sua polarità, secondo la convenzione dell'ultilizzatore è negativa;
2) la corrente i1 entra dal morsetto positivo della batteria per cui la sua polarità, secondo la convenzione dell'utilizzatore, è positiva;
3) la corrente i1 entra dal morsetto positivo del bipolo Vo per cui la sua polarità, secondo la convenzione dell'utilizzatore è positiva.

[fcd="Schema elettrico"][FIDOCAD]
MC 39 5 0 0 000
FCJ
TY 41 23 4 3 0 0 0 * Vo
TY 43 10 4 3 0 0 0 * +
MC 39 45 0 0 000
FCJ
TY 49 55 4 3 0 0 0 *
TY 43 35 4 3 0 0 0 * -
MC 9 30 1 0 ihram.res
FCJ
TY 4 40 4 3 0 0 0 * -
TY 4 31 4 3 0 0 0 * +
MC 9 30 2 1 450
FCJ
TY 4 11 4 3 0 0 0 * -
TY 4 23 4 3 0 0 0 * +
LI 9 45 24 45 0
LI 9 5 24 5 0
LI 9 5 9 10 0
MC 20 23 3 1 074
FCJ
TY 17 26 4 3 0 0 0 * i1
TY 10 13 4 3 0 0 0 *
LI 24 5 39 5 0
LI 24 45 39 45 0[/fcd]

Ho il sospetto di sbagliare quando assegno arbitrariamente le polarità ai bipoli che non ne hanno già una fissata.
Se è così allora qual è l'approccio corretto che non mi porterà mai a sbagliare? Quali osservazioni, in quale ordine devo fare per poter fare tutto correttamente?
Grazie anticipatamente! :)

RenzoDF
Le scelte delle convenzioni sia per le tensioni sia per le correnti sono del tutto arbitrarie, ma conviene sceglierle in modo tale che la relazione costitutiva che conseguentemente le lega sia la più semplice possibile; nel caso particolare al quale fai riferimento, per esempio, converrà ovviamente scegliere per la batteria la tensione con il positivo sul positivo del generatore, per poter scrivere $V_E=E$ (indipendentemente in questo caso dalla scelta del verso per la corrente i1) mentre per il resistore converrà assumere la tensione col positivo sul morsetto inferiore dello stesso, in modo tale che la relazione costitutiva sia semplicemente $V=Ri_1$ ... e qui sta il tuo errore, in quanto assumendo il positivo sul morsetto superiore del resistore, dovrai scrivere la relazione costitutiva come $V=-Ri_1$.

Io poi uso un metodo differente per quanto riguarda i segni, ovvero non considero negativa una tensione se "incontro" prima il negativo della tensione sul bipolo, ma uso i dislivelli, e più precisamente, nel percorrere la maglia, considero la tensione positiva e scrivo + se incontro una "salita di potenziale", ovvero attraverso il bipolo passando dal meno al più, e viceversa.

[fcd="fig.1"][FIDOCAD]
FJC A 0.4
FJC B 0.4
MC 59 55 0 0 000
FCJ
TY 69 65 4 3 0 0 0 *
TY 63 45 4 3 0 0 0 * -
MC 29 40 1 0 ihram.res
FCJ
TY 22 39 4 3 0 0 0 * -
TY 22 50 4 3 0 0 0 * +
MC 29 40 2 1 450
FCJ
TY 30 24 4 3 0 0 0 *
TY 31 31 4 3 0 0 0 * +
LI 29 55 44 55 0
LI 29 15 44 15 0
LI 29 15 29 20 0
MC 33 24 3 1 074
FCJ
TY 37 20 4 3 0 0 0 * i1
TY 23 14 4 3 0 0 0 *
LI 44 15 59 15 0
LI 44 55 59 55 0
TY 14 45 4 3 0 0 0 * VR
MC 59 15 0 0 000
FCJ
TY 60 32 4 3 0 0 0 * Vo
TY 62 20 4 3 0 0 0 * +
TY 38 28 4 3 0 0 0 * E
TY 14 28 4 3 0 0 0 * VE
TY 22 24 4 3 0 0 0 * -
TY 22 32 4 3 0 0 0 * +
TY 69 11 4 3 0 1 0 * A
TY 69 55 4 3 0 1 0 * B
TY 33 44 4 3 0 0 0 * R[/fcd]

Nel caso in esempio quindi, partendo da B e andando verso A, percorrendo la mezza maglia sinistra, ed uguagliando al percorso (sempre da B ad A) sulla mezza maglia destra scriverò

$-V_R-V_E=-Ri_1-E=+V_o$

E' un metodo del tutto equivalente al tuo (e a quello usato dal 95% dei testi di elettrotecnica) ma io lo preferisco in quanto è più difficile commettere errori di segno. La regola è "salite di potenziale -> positive ... discese di potenziale -> negative".

Se vuoi leggere qualcosa di più dettagliato sull'argomento, anche se al limite della "paranoia circuitale", dai un occhio anche a questa mia vecchia risposta su ElectroYou

http://www.electroyou.it/forum/viewtopi ... 56#p389685

lucamennoia
Non ci poteva essere risposta migliore di questa per me. Grazie infinite per la pazienza, per il tuo tempo e complimenti per l'esposizione chiarissima.
Ho capito tutto tranne il tuo metodo, con cui io avrei bisogno prima di un po' di pratica, cosa per cui ahimè non ho tempo.
Se incontrerò ancora difficoltà sull'argomento tornerò a ripescare questo preziosissimo link.
Grazie :)

RenzoDF
"lucamennoia":
... Grazie :)

Di nulla, figurati. :smt023

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