Elemento circuitale

Un componente elettrico o componente circuitale o elemento elettrico è un'astrazione concettuale che rappresenta in modo ideale dispositivi elettrici elementari reali come resistenze, condensatori e induttori per l'analisi teorica dei circuiti elettrici. Ogni circuito elettrico può essere rappresentato e analizzato sotto forma di collegamenti tra componenti multipli; se il componente corrisponde grosso modo anche al dispositivo fisico reale, la rappresentazione costituisce uno schema elettrico a parametri concentrati. In altri casi, come ad esempio per modellare le linee trasmissive i componenti rappresentano elementi infinitesimali (schema a parametri distribuiti).

I componenti ideali, pur rappresentando dispositivi fisici reali, non hanno un corrispettivo effettivo dato che si assume che le loro proprietà siano ideali, mentre i componenti reali presentano proprietà non ideali, valori caratterizzati da tolleranza rispetto al valore nominale e possiedono un determinato grado di non linearità. Per questo motivo, per poter modellare e approssimare il funzionamento di un componente reale tenendo conto degli aspetti non ideali può essere necessario rappresentarlo combinando tra loro più componenti ideali differenti. Per esempio, un induttore ideale è caratterizzato dalla sola induttanza e non presenta né resistenza né capacità ma un induttore fisico reale, come ad esempio una bobina, presenta anche un valore di resistenza e quindi la sua rappresentazione in uno schema a componenti ideali è costituita da un induttore ideale collegato in serie a un resistore ideale per tenere conto di entrambe le caratteristiche.

L'analisi dei circuiti basata sui componenti ideali è utile per comprendere il funzionamento pratico dei circuiti elettrici reali: analizzando e combinando gli effetti risultanti generati dai componenti ideali è possibile stimare il comportamento effettivo reale.

Tipologie e classificazione

I componenti si possono classificare in diverse categorie; una di queste si basa sul numero di terminali disponibili per i collegamenti con gli altri componenti e distingue tra:

• componenti bipolari, i più semplici, che presentano per il collegamento solo due terminali. Esempi sono le resistenze, le capacità, le induttanze e i diodi
• componenti multipolari che si collegano agli altri dispositivi tramite coppie di terminali. Ogni coppia di terminali costituisce una "porta". Per esempio, un trasformatore a tre avvolgimenti è dotato di sei terminali e viene rappresentato in maniera ideale come un elemento a tre porte, ciascuna composta da una coppia di terminali. Gli elementi più comuni di questo tipo sono i componenti a due porte, caratterizzati da due coppie di terminali.

I componenti si possono suddividere anche in:

• componenti attivi o generatori , in grado di generare potenza elettrica, come i generatori di tensione o i generatori di corrente. Tipicamente si usano per modellare batterie e alimentatori. A questa categoria appartengono i
  • generatori controllati in cui la tensione o la corrente generate sono proporzionali alla tensione o alla corrente applicata a un'altra coppia di terminali. Si uano per modellare amplificatori come i transistor, le valvole termoioniche e gli amplificatori operazionali.
• componenti passivi che non sono in grado di generare autonomamente energia, come ad esempio le resistenze, le capacitanze e le induttanze.

Un'ulteriore classificazione è legata alla relazione tra le grandezze elettriche e consente di distinguere tra:

• componenti lineari in cui la relazione tra tensione e corrente è una funzione lineare e si può applicare il principio della sovrapposizione degli effetti. Esempi di componenti lineari sono le resistenze, le capacitanze, le induttanze e i generatori controllati lineari. I circuiti composti da soli componenti lineari, detti anche circuiti lineari, non presentano fenomeni come l'intermodulazione e possono essere analizzati tramite tecniche matematiche potenti come la trasformata di Laplace.
• componenti non lineari in cui la relazione tra tensione e corrente è esprimibile tramite una funzione non lineare. Un esempio è il diodo, in cui la corrente è una funzione esponenziale della tensione. I circuiti che comprendono componenti non lineari sono più complessi da analizzare e da progettare e spesso è necessario ricorrere a programmi di simulazione come per esempio SPICE.

Componenti bipolari

Gli elementi bipolari sono definiti da una relazione tra le seguenti variabili di stato del circuito:

• corrente ${\displaystyle I}$ ;
• differenza di potenziale ${\displaystyle V}$ ;
• carica elettrica ${\displaystyle Q}$ 
• flusso magnetico ${\displaystyle \Phi }$ 

Generatori

Sono definiti due tipi di generatori fondamentali:

• generatore di corrente, la cui uscita è misurata in ampere: genera corrente in un conduttore tramite variazione della carica elettrica secondo la relazione ${\displaystyle dQ=-I\,dt}$ .
• generatore di tensione, la cui uscita è misurata in volt: genera una differenza di potenziale elettrico tra due punti tramite variazione del flusso magnetico secondo la relazione ${\displaystyle d\Phi =V\,dt}$ .

Da notare che nel caso del generatore di corrente l'integrale nel tempo della corrente generata ${\displaystyle Q}$  rappresenta la quantità di carica elettrica fornita dal generatore, mentre nel caso del generatore di tensione l'equivalente in integrale nel tempo ${\displaystyle \Phi }$  non sempre rappresenta un'entità fisicamente significativa a seconda della natura del generatore. Per un generatore di tensione a induzione questa quantità ha anche un significato fisico mentre per un generatore di tipo elettrochimico come una pila o per una tensione che è la risultante in uscita di un altro circuito tale quantità non ha un significato fisico ma solo matematico.

Questi componenti sono di tipo non lineare.

Componenti passivi

Sono definiti tre componenti passivi fondamentali:

• resistenza ${\displaystyle R}$ , misurata in ohm: ai suoi capi presenta una differenza di potenziale proporzionale alla corrente che l'attraversa secondo la relazione ${\displaystyle dV=R\,dI}$ .
• capacità ${\displaystyle C}$ , misurata in farad: produce una corrente proporzionale alla variazione della tensione ai suoi capi secondo la relazione ${\displaystyle dQ=C\,dV}$ .
• induttanza ${\displaystyle L}$ , misurata in henry: produce un flusso magnetico proporzionale alla variazione della corrente che attraversa il componente secondo la relazione ${\displaystyle d\Phi =L\,dI}$ .

Componenti a due porte

Generatori controllati

Sono definiti quattro tipi di componenti attivi:

• generatore di tensione controllato in tensione (Voltage-controlled voltage source, VCVS): genera una differenza di potenziale in funzione di un'altra differenza di potenziale con un determinato guadagno; è caratterizzato da una impedenza in ingresso infinita e un'impedenza in uscita nulla
• generatore di corrente controllato in tensione (Voltage-controlled current source, VCCS): genera una corrente in funzione di un'altra differenza di potenziale con un determinato guadagno; modella ad esempio i transistor a effetto di campo e le valvole termoioniche ed è caratterizzato da impedenza infinita sia in ingresso che in uscita; il guadagno è caratterizzato come una transconduttanza espressa in siemens
• generatore di tensione controllato in corrente (Current-controlled voltage source, CCVS): genera una differenza di potenziale in funzione di una corrente in ingresso con un determinato guadagno; è caratterizzato da una impedenza nulla sia in ingresso che in uscita e si usa come modello per il componente teorico trancitor, che è l'equivalente del transistor ma con riferimento alla capacità invece che alla resistenza (questo tipo di componente elettronico è stato solo teorizzato ma mai realizzato); il guadagno è caratterizzato come una transresistenza espressa in ohm
• generatore di corrente controllato in corrente (Current-controlled current source, CCCS): genera una corrente in funzione di una corrente di ingresso con un determinato guadagno; è caratterizzato da un'impedenza in ingresso nulla e un'impedenza in uscita infinita e modella i transistor a giunzione bipolare.

Voci correlate

• Circuito elettrico
• Componente elettronico
• Teoria dei circuiti

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