Elettrotecnica 2: circuiti in corrente alternata: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 16 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Numeri complessi

Forma cartesiana
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Modulo e argomento
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Forma polare ed esponenziale
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Divisione
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Prodotto e quoziente
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
De Moivre
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
Radici n-esime
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Equazione quadratica con p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Metodo

  1. Decidi quale forma si adatta all’operazione: cartesiana a + jb per sommare e sottrarre, polare r∠θ per moltiplicare, dividere, potenze e radici.
  2. Sviluppa con j² = −1; dividi moltiplicando numeratore e denominatore per il coniugato del denominatore.
  3. Converti con r = √(a² + b²) e θ da un disegno del punto (controlla il quadrante), e viceversa con a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Per le potenze usa De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; per zⁿ = R∠φ elenca tutte le n radici R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Impedenza AC e fasori

Impedenze
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Pulsazione
ω = 2πf
Modulo e fase
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Legge di Ohm con i fasori
V = I·Z

Metodo

  1. Converti la frequenza: ω = 2πf.
  2. Trova ogni reattanza: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
  3. Somma le impedenze come resistori, con Z = R + jX.
  4. Trova il modulo |Z| = √(R² + X²) e l’angolo φ = atan(X/R), poi usa la legge di Ohm con i fasori.

Potenza AC e fattore di potenza

Potenza attiva
P = V·I·cos φ
Potenza reattiva
Q = V·I·sin φ
Potenza apparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Fattore di potenza
pf = cos φ = P/S
Condensatore di rifasamento
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Frequenza naturale
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Energia
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Corrente di picco
Imax = V0√(C/L)
Fattore di qualità
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
RLC serie
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
RLC parallelo
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Larghezza di banda
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Frequenze di mezza potenza
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Circuito risonante con resistenza r della bobina
RD = L/(C·r) = Q²·r
Decadimento dell’ampiezza
e−Rt/(2L)

Metodo

  1. Trova prima la frequenza di risonanza: ω₀ = 1/√(LC) e f₀ = ω₀/(2π).
  2. Decidi se il circuito è serie o parallelo: serie Q = (1/R)√(L/C), parallelo Q = R√(C/L).
  3. Usa BW = f₀/Q per la larghezza di banda, oppure le scorciatoie R/(2πL) (serie) e 1/(2πRC) (parallelo).
  4. Nei problemi di energia usa il fatto che l’energia totale ½CV₀² resta costante in un circuito LC ideale e oscilla tra C e L ogni quarto di periodo.

Sistemi trifase

Collegamento a stella (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Collegamento a triangolo (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potenza attiva totale
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potenza apparente e reattiva
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensatori di rifasamento
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensione su ciascun condensatore
Δ: VL Y: VL/√3
Potenza assorbita dal motore
Pin = Pout/η

Transitori RC e RL

Costante di tempo
τ = RC | τ = L/R
Risposta
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensatore in continua
circuito aperto; vC non può variare a salto
Induttore in continua
cortocircuito; iL non può variare a salto
A regime
t ≈ 5τ

Metodo

  1. Trova il valore iniziale subito dopo la commutazione: la tensione di un condensatore e la corrente di un induttore non possono variare a scatto.
  2. Trova il valore finale molto tempo dopo la commutazione: un condensatore si comporta come un circuito aperto, un induttore come un cortocircuito.
  3. Trova la costante di tempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistenza vista dal condensatore o dall’induttore.
  4. Usa x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Thévenin e Norton

Tensione di Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistenza di Thévenin
Rth: tutti i generatori spenti, vista da a–b
Corrente di Norton
IN = Vth/Rth
Corrente nel carico
IL = Vth/(Rth + RL)
Massimo trasferimento di potenza
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Metodo

  1. Togli il carico e indica i due morsetti a e b.
  2. Trova la tensione a vuoto tra a e b: questa è Vth.
  3. Spegni tutti i generatori indipendenti e trova la resistenza vista da a–b: questa è Rth.
  4. Ricollega il carico al circuito equivalente: Vth in serie con Rth.
  5. Per l’equivalente di Norton, converti: IN = Vth/Rth, con RN = Rth in parallelo.

2Esercizi

1.Numeri complessiMedia
ReIm0,50,5−0,5−0,511−1−11,51,5−1,5−1,5θz

Scrivi z = 2∠140° in forma cartesiana a + jb e dai la parte immaginaria b.

r = 2θ = 140°
b =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−4ABCD

Esattamente uno dei punti A–D è una radice di z⁴ = 81∠−90°. Cliccalo.

w = 81∠−90°n = 4
  1. 1A (5,4∠157,5°)
  2. 2B (3∠−157,5°)
  3. 3C (3∠157,5°)
  4. 4D (3∠−90°)
3.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V50 HzR = 50 ΩC = 22 µFI

Un resistore e un condensatore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 50 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 50 ΩC = 22 µF
I = A
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 10 ΩL = 100 mHC = 0,047 µF

Un circuito RLC serie ha R = 10 Ω, L = 100 mH e C = 0,047 µF. Trova il suo fattore di qualità Q in risonanza.

R = 10 ΩL = 100 mHC = 0,047 µF
Q =
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 39 kWQ = ?Sφ

Un motore monofase assorbe 39 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 400 V. Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

P = 39 kWpf = 0,65V = 400 V
Q = kvar
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
400 V50 Hzcarico15 kW, 0,75C100 µFI

Un carico monofase assorbe 15 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 50 Hz. Un condensatore da 100 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova il nuovo fattore di potenza cos φ visto dall’alimentazione.

P = 15 kWpf1 = 0,75V = 400 Vf = 50 HzC = 100 µF
cos φ =
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V100 Ω4,7 mH100 nF

Un circuito RLC serie ha R = 100 Ω, L = 4,7 mH e C = 100 nF. Trova la sua larghezza di banda BW in kHz.

R = 100 ΩL = 4,7 mHC = 100 nF
BW = kHz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
V5 ΩLC = ?

Progetta un filtro RLC serie con una resistenza totale di 5 Ω, una frequenza di risonanza di 455 kHz e una larghezza di banda di 11,38 kHz. Trova la capacità C in nF.

R = 5 Ωf0 = 455 kHzBW = 11,38 kHz
C = nF
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 400 VIL​ = 50 Acos φ = 0,92in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 50 A da una rete con una tensione concatenata di 400 V. Il fattore di potenza è 0,92 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 400 VIL = 50 Acos φ = 0,92
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 250 kW con un fattore di potenza di 0,7 in ritardo da una rete a 480 V (tensione concatenata) e 60 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,98 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 250 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​5 Vt = 0R = 50 ΩL100 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova la corrente i in t = 5 ms.

Vs = 5 VR = 50 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​30 Vsi apre a t = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 10 kΩi2​C10 µF+−vC​

L’interruttore è chiuso da molto tempo, quindi il circuito è a regime. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la corrente i2 in R2 a t = 60 ms.

Vs = 30 VR1 = 2,2 kΩR2 = 10 kΩC = 10 µFt = 60 ms
i2 = mA
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAab

Trova la resistenza di Thévenin Rth vista dai morsetti a–b.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAIs​6 ABRL​8 ΩIL​

Un carico RL = 8 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 15 VIs = 6 AR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩRL = 8 Ω
PL = W
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​R = 47 ΩL = 100 mHvout​

Il filtro passa-alto RL mostrato ha R = 47 Ω, L = 100 mH. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 37 Hz. Trova lo sfasamento φ di vout rispetto a vin, in gradi.

R = 47 ΩL = 100 mHf = 37 Hz
φ = °
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Un anello a retroazione unitaria ha la funzione di trasferimento ad anello aperto L(s) = 3500/(s(s + 20)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.

L(s) = 3500/(s(s + 20))
ωc = rad/s

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: b = 1,286

Forma polare: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, con r = |z| e θ = arg z. Per tornare alla forma cartesiana: a = r cos θ, b = r sin θ. L’argomento richiede il quadrante: θ = atan(b/a) solo quando a > 0; per a < 0 somma o sottrai 180°. In forma polare la moltiplicazione è facile: moltiplica i moduli e somma gli argomenti; per la divisione dividi i moduli e sottrai gli argomenti.

Componenti

a = 2·cos(140°) = −1,532
b = 2·sin(140°) = 1,286

Forma cartesiana

z = −1,532 + j1,286
b = 1,286

Risposta

b = 1,286
2.Numeri complessi

Risposta: C (3∠157,5°)

De Moivre e radici: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. L’equazione zⁿ = R∠φ ha esattamente n radici, tutte con modulo R1/n, agli argomenti (φ + 360°·k)/n per k = 0, 1, …, n − 1: giacciono equidistanziate su una circonferenza, a 360°/n l’una dall’altra. Un’equazione quadratica z² + pz + q = 0 con p² < 4q ha le radici complesse z = −p/2 ± j√(q − p²/4); un polinomio a coefficienti reali ha sempre le radici complesse in coppie coniugate a ± jb.

Modulo e argomenti delle radici

|z| = 3
θ = −22,5°, 67,5°, 157,5°, −112,5°

Il punto

C = 3∠157,5°

Risposta

C (3∠157,5°)
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 2,116 A

Circuiti AC con i fasori: resistori, induttori e condensatori hanno impedenze R, jωL e 1/(jωC), con ω = 2πf. In serie le impedenze si sommano come resistenze, ma come numeri complessi. Corrente e tensione efficaci seguono la legge di Ohm con |Z|.

Reattanza

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·50·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Correnti di ramo

Entrambi i rami sono collegati direttamente all’alimentazione, quindi ognuno vede l’intera tensione V.

IR = V/R = 100/50 = 2 A
IX = V/XC = 100/144,7 = 0,6912 A

Corrente totale

La corrente nel resistore è in fase con V e la corrente reattiva è sfasata di 90°, quindi si sommano come i cateti di un triangolo rettangolo.

I = √(IR² + IX²) = √(2² + 0,6912²) = 2,116 A

Risposta

I = 2,116 A
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: Q = 145,9

Circuiti AC con i fasori: resistori, induttori e condensatori hanno impedenze R, jωL e 1/(jωC), con ω = 2πf. In serie le impedenze si sommano come resistenze, ma come numeri complessi. Corrente e tensione efficaci seguono la legge di Ohm con |Z|.

Frequenza di risonanza

f0 = 1/(2π·√(0,1·0,047·10⁻⁶)) = 2322 Hz

Fattore di qualità

Q confronta la reattanza in risonanza con la resistenza: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,1/(0,047·10⁻⁶)) = 145,9

Risposta

Q = 145,9
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 45,6 kvar

Potenza in AC: la potenza apparente S = V·I (VA) si divide in potenza attiva P = S·cos φ (W), che compie lavoro utile, e potenza reattiva Q = S·sin φ (var), che oscilla tra generatore e carico. Il fattore di potenza è cos φ. Un condensatore in parallelo fornisce potenza reattiva localmente, quindi la corrente di linea diminuisce a parità di potenza attiva.

Angolo

φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Potenza reattiva

Q = P·tan φ = 39·1,169 = 45,6 kvar

Risposta

Q = 45,6 kvar
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,8774

Potenza in AC: la potenza apparente S = V·I (VA) si divide in potenza attiva P = S·cos φ (W), che compie lavoro utile, e potenza reattiva Q = S·sin φ (var), che oscilla tra generatore e carico. Il fattore di potenza è cos φ. Un condensatore in parallelo fornisce potenza reattiva localmente, quindi la corrente di linea diminuisce a parità di potenza attiva.

Potenza reattiva prima e dopo

La potenza attiva P non cambia; cambia solo la potenza reattiva prelevata dalla rete.

Q1 = 15·tan(arccos 0,75) = 13,23 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·100·10⁻⁶ = 5027 var = 5,027 kvar
Q2 = 13,23 − 5,027 = 8,202 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(15² + 8,202²) = 17,1 kVA

Nuovo fattore di potenza

cos φ = P/S2 = 15/17,1 = 0,8774

Risposta

cos φ = 0,8774
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: BW = 3,386 kHz

Fattore Q e larghezza di banda: in un circuito risonante Q = 2π·(energia immagazzinata)/(energia persa per ciclo). Per l’RLC serie Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); per l’RLC parallelo Q = R/(ω0L) = R√(C/L). La larghezza di banda tra le frequenze di mezza potenza f1 e f2 (dove la potenza è metà e la corrente o la tensione è 1/√2 del picco) è BW = f2 − f1 = f0/Q, cioè R/(2πL) in serie e 1/(2πRC) in parallelo. La frequenza di risonanza è la media geometrica f0 = √(f1f2), e f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Le perdite fanno anche smorzare l’oscillazione: nell’RLC serie l’ampiezza diminuisce come e−Rt/(2L).

Larghezza di banda in rad/s

R/L = 100/0,0047 = 21277 rad/s

Larghezza di banda in Hz

BW = 21277/(2π) = 3386 Hz = 3,386 kHz

Risposta

BW = 3,386 kHz

Con f₀ = 7,341 kHz si ottiene Q = 2,168.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: C = 1,749 nF

Fattore Q e larghezza di banda: in un circuito risonante Q = 2π·(energia immagazzinata)/(energia persa per ciclo). Per l’RLC serie Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); per l’RLC parallelo Q = R/(ω0L) = R√(C/L). La larghezza di banda tra le frequenze di mezza potenza f1 e f2 (dove la potenza è metà e la corrente o la tensione è 1/√2 del picco) è BW = f2 − f1 = f0/Q, cioè R/(2πL) in serie e 1/(2πRC) in parallelo. La frequenza di risonanza è la media geometrica f0 = √(f1f2), e f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Le perdite fanno anche smorzare l’oscillazione: nell’RLC serie l’ampiezza diminuisce come e−Rt/(2L).

Induttanza dalla larghezza di banda

L = R/(2π·BW) = 5/(2π·11375) = 6,996 × 10⁻⁵ H

Capacità dalla frequenza di risonanza

C = 1/((2π·455000)²·6,996 × 10⁻⁵) = 1,749 × 10⁻⁹ F = 1,749 nF

Risposta

C = 1,749 nF

Q = f₀/BW = 40.

9.Sistemi trifase

Risposta: P = 31,87 kW

Sistemi trifase equilibrati: in un collegamento a stella (Y) la tensione concatenata è √3 volte la tensione di fase, VL = √3·Vph, e la corrente di linea è uguale alla corrente di fase. In un collegamento a triangolo (Δ) la tensione concatenata è uguale alla tensione di fase e la corrente di linea è √3 volte la corrente di fase, IL = √3·Iph. La potenza totale è tre volte la potenza di una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Potenza apparente

S = √3·VL·IL = √3·400·50 = 34,64 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 34,64·0,92 = 31,87 kW

Risposta

P = 31,87 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 2352 µF

Sistemi trifase equilibrati: in un collegamento a stella (Y) la tensione concatenata è √3 volte la tensione di fase, VL = √3·Vph, e la corrente di linea è uguale alla corrente di fase. In un collegamento a triangolo (Δ) la tensione concatenata è uguale alla tensione di fase e la corrente di linea è √3 volte la corrente di fase, IL = √3·Iph. La potenza totale è tre volte la potenza di una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Rifasamento: i condensatori forniscono localmente potenza reattiva, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Ciascuno dei tre condensatori fornisce QC/3 = V²·ω·C, dove V è la tensione ai capi di quel condensatore: VL in una batteria a triangolo, VL/√3 in una batteria a stella.

Potenza reattiva prima e dopo

La potenza attiva non cambia, quindi ogni fattore di potenza determina la potenza reattiva: Q = P·tan φ.

Q1 = 250·tan(acos 0,7) = 250·1,02 = 255,1 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,98) = 250·0,2031 = 50,76 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 204,3 kvar

Capacità per fase

In una batteria a stella ogni condensatore è collegato tra una linea e il centro stella.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 68095/(377·277,1²) = 2352 µF

Risposta

Cph = 2352 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,09179 A

Transitori del primo ordine: in un circuito con un solo condensatore o un solo induttore, ogni tensione e corrente passa esponenzialmente dal valore iniziale a quello finale: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Dopo circa 5τ il circuito si è assestato.

Costante di tempo e corrente finale

Molto tempo dopo la chiusura dell’interruttore l’induttore si comporta come un cortocircuito, quindi la corrente finale dipende solo da R.

τ = L/R = 100 mH / 50 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 5/50 = 0,1 A

Corrente all’istante dato

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,1·(1 − e−5/2) = 0,09179 A

Risposta

i = 0,09179 A
12.Transitori RC e RL

Risposta: i2 = 1,35 mA

Transitori del primo ordine: in un circuito con un solo condensatore o un solo induttore, ogni tensione e corrente passa esponenzialmente dal valore iniziale a quello finale: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Dopo circa 5τ il circuito si è assestato.

Tensione iniziale del condensatore

A regime il condensatore è un circuito aperto, quindi R₁ e R₂ formano un partitore di tensione. La tensione del condensatore non può variare bruscamente quando l’interruttore si apre.

vC(0) = 30·10/(2,2 + 10) = 24,59 V

Costante di tempo dopo l’apertura dell’interruttore

τ = R2·C = 10·10 = 100 ms

Scarica

vC(t) = 24,59·e−60/100 = 13,5 V
i2 = vC/R2 = 13,5/10 = 1,35 mA

Risposta

i2 = 1,35 mA
13.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 15,5 Ω

Teorema di Thévenin: ogni rete lineare a due morsetti si comporta come un unico generatore di tensione Vth in serie con una resistenza Rth. Il teorema di Norton dà la stessa rete come generatore di corrente IN = Vth/Rth in parallelo con Rth.

R1​ = 12 ΩR3​ = 8 ΩCORTOR2​20 ΩAabRth​

Trova Rth con tutti i generatori spenti

Sostituisci i generatori di tensione con cortocircuiti e quelli di corrente con circuiti aperti, poi guarda il circuito da a–b.

R1 ∥ R2 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 8 = 15,5 Ω
14.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 188 W

Teorema di Thévenin: ogni rete lineare a due morsetti si comporta come un unico generatore di tensione Vth in serie con una resistenza Rth. Il teorema di Norton dà la stessa rete come generatore di corrente IN = Vth/Rth in parallelo con Rth.

R1​ = 2 ΩR3​ = 20 ΩCORTOR2​20 ΩAAPERTOBabRth​

Trova Rth con tutti i generatori spenti

Sostituisci i generatori di tensione con cortocircuiti e quelli di corrente con circuiti aperti, poi guarda il circuito da a–b.

R1 ∥ R2 = 2·20/(2+20) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 20 = 21,82 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAIs​6 ABab+−Vth​

Trova Vth, la tensione a vuoto

Con a–b aperti, l’unico percorso per Iₛ è attraverso R₃ nel nodo A. Trova V_A per sovrapposizione di V₁ e Iₛ, poi aggiungi la caduta su R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 13,64 + 6·1,818 = 24,55 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 24,55 + 6·20 = 144,5 V
Rth​ = 21,82 Ω+−Vth​144,5 VRL​8 ΩIL​

Collega il carico all’equivalente di Thévenin

Il generatore di Thévenin e R_th in serie si comportano esattamente come il circuito originale ai morsetti a–b, quindi il carico vede un semplice anello in serie.

IL = Vth/(Rth + RL) = 144,5/(21,82 + 8) = 4,848 A
PL = IL²·RL = 4,848²·8 = 188 W
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: φ = 63,68 °

Risposta in frequenza: sostituisci s = jω nella funzione di trasferimento. Il modulo in decibel è 20·log₁₀|H(jω)| e la fase è la somma degli angoli dei fattori al numeratore meno quelli dei fattori al denominatore. Un filtro RC o RL del primo ordine ha la frequenza di taglio (−3 dB) a ωc = 1/(RC) oppure R/L, e fc = ωc/(2π); un filtro passa-basso dà |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). Nel diagramma di Bode asintotico (a segmenti) ogni polo piega il modulo verso il basso di 20 dB/decade alla sua frequenza di taglio, ogni zero lo piega verso l’alto di 20 dB/decade, e un integratore 1/s dà −20 dB/decade a tutte le frequenze. Pulsazione di attraversamento del guadagno ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margine di fase PM = 180° + ∠L(jωc). Pulsazione di attraversamento della fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margine di guadagno GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. L’anello chiuso è stabile quando entrambi i margini sono positivi.

Frequenza di taglio

ωc = R/L = 47/0,1 = 470 rad/s
fc = 74,8 Hz → f/fc = 37/74,8 = 0,4946

Fase

φ = 90° − atan(0,4946) = 63,68°

Risposta

φ = 63,68°
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ωc = 57,5 rad/s

Risposta in frequenza: sostituisci s = jω nella funzione di trasferimento. Il modulo in decibel è 20·log₁₀|H(jω)| e la fase è la somma degli angoli dei fattori al numeratore meno quelli dei fattori al denominatore. Un filtro RC o RL del primo ordine ha la frequenza di taglio (−3 dB) a ωc = 1/(RC) oppure R/L, e fc = ωc/(2π); un filtro passa-basso dà |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). Nel diagramma di Bode asintotico (a segmenti) ogni polo piega il modulo verso il basso di 20 dB/decade alla sua frequenza di taglio, ogni zero lo piega verso l’alto di 20 dB/decade, e un integratore 1/s dà −20 dB/decade a tutte le frequenze. Pulsazione di attraversamento del guadagno ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margine di fase PM = 180° + ∠L(jωc). Pulsazione di attraversamento della fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margine di guadagno GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. L’anello chiuso è stabile quando entrambi i margini sono positivi.

Attraversamento del guadagno

ω⁴ + 400ω² − 1,225 × 10⁷ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·1,225 × 10⁷))/2 = 3306
ωc = 57,5 rad/s

Risposta

ωc = 57,5 rad/s

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