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
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂w

Dati z₁ = 3∠55° e z₂ = 1,5∠−50°, trova la parte reale di w = z₁·z₂.

z₁ = 3∠55°z₂ = 1,5∠−50°
Re(w) =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂

Risolvi z² + 2z + 10 = 0. Le radici sono a ± jb; trova la parte reale a.

p = 2q = 10
a =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
12 V100 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 100 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µF
I = A
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
12 V500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 500 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 14 kWQ = ?Sφ

Un motore monofase assorbe 14 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 400 V. Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

P = 14 kWpf = 0,65V = 400 V
Q = kvar
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
240 V60 Hzcarico8 kW, 0,8C220 µFI

Un carico monofase assorbe 8 kW con un fattore di potenza di 0,8 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 60 Hz. Un condensatore da 220 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova il nuovo fattore di potenza cos φ visto dall’alimentazione.

P = 8 kWpf1 = 0,8V = 240 Vf = 60 HzC = 220 µF
cos φ =
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 4,7 mHC = 2,2 µF

In un circuito LC ideale con L = 4,7 mH e C = 2,2 µF, il condensatore è completamente carico a t = 0. Quanto tempo passa prima che tutta l’energia sia nell’induttore? Dai t in µs.

L = 4,7 mHC = 2,2 µF
t = µs
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
C = 1 nFr = 20 ΩL = 22 mH

Un circuito risonante parallelo è fatto di un condensatore da 1 nF e una bobina da 22 mH con resistenza dell’avvolgimento di 20 Ω. In risonanza si comporta come un resistore, la sua resistenza dinamica è RD = L/(C·r). Trova RD in kΩ.

L = 22 mHC = 1 nFr = 20 Ω
RD = kΩ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M11 kW, η = 90%cos φ = 0,9

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 11 kW. A questo carico il suo rendimento è del 90% e il suo fattore di potenza è 0,9 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 480 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 11 kWη = 90%cos φ = 0,9VL = 480 V
IL = A
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 250 kW con un fattore di potenza di 0,78 in ritardo da una rete a 690 V (tensione concatenata) e 50 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,92 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 250 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 1 kΩC100 µF+−vC​

Il generatore Vₛ carica il condensatore attraverso R₁, e R₂ è collegato in parallelo a C. Il condensatore è scarico quando l’interruttore si chiude in t = 0. Trova la tensione del condensatore vC in t = 120 ms.

Vs = 20 VR1 = 4,7 kΩR2 = 1 kΩC = 100 µFt = 120 ms
vC = V
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 24 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 75 ms.

Vs = 5 VR = 10 kΩC = 10 µFvC(0) = 24 Vt = 75 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAab

Trova la corrente di Norton IN: la corrente che scorre da a a b se i morsetti sono cortocircuitati.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAIs​6 ABab

Trova la tensione di Thévenin Vth vista dai morsetti a–b.

V1 = 6 VIs = 6 AR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,10,1111010100100−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 1

Trova la fase ∠G(jω) di G(s) = 37(s + 2)/(s(s + 4)) a ω = 1 rad/s, in gradi.

G(s) = 37(s + 2)/(s(s + 4))ω = 1 rad/s
∠G(jω) = °
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (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) = 272/(s(s + 8)). Trova il margine di fase PM in gradi.

L(s) = 272/(s(s + 8))
PM = °

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: Re(w) = 4,483

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.

Modulo e argomento di w

|w| = 3 · 1,5 = 4,5
θ = 55° + (−50)° = 5°

Forma cartesiana

Re(w) = 4,5·cos(5°) = 4,483
Im(w) = 4,5·sin(5°) = 0,3922
Re(w) = 4,483

Risposta

Re(w) = 4,483
2.Numeri complessi

Risposta: a = −1

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.

Discriminante

p² − 4q = 4 − 40 = −36 < 0

Formula risolutiva

z = (−2 ± j√36)/2 = −1 + j3, −1 − j3

Risposta

a = −1

Risposta

a = −1
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,361 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|.

Reattanze

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,15 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω

Impedenza

In serie le impedenze si sommano come numeri complessi: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (21,9)²) = 33,24 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 12/33,24 = 0,361 A

Risposta

I = 0,361 A
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 519,1 Hz

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|.

Risonanza

In risonanza le reattanze induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC). La frequenza di alimentazione non conta.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,02·4,7·10⁻⁶)) = 519,1 Hz

Risposta

f0 = 519,1 Hz
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 16,37 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 = 14·1,169 = 16,37 kvar

Risposta

Q = 16,37 kvar
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,9885

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 = 8·tan(arccos 0,8) = 6 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·220·10⁻⁶ = 4777 var = 4,777 kvar
Q2 = 6 − 4,777 = 1,223 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(8² + 1,223²) = 8,093 kVA

Nuovo fattore di potenza

cos φ = P/S2 = 8/8,093 = 0,9885

Risposta

cos φ = 0,9885
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: t = 159,7 µs

Risonanza LC: un condensatore carico collegato a un induttore fa passare una corrente che lo carica nel verso opposto: l’energia oscilla tra il campo elettrico di C (½Cv²) e il campo magnetico di L (½Li²) alla frequenza naturale f0 = 1/(2π√(LC)). Senza resistenza l’energia totale ½CV0² resta costante, quindi la corrente di picco è Imax = V0√(C/L). Un periodo è T = 1/f0; l’energia passa da C a L in un quarto di esso.

Periodo

T = 2π√(0,0047·2,2 × 10⁻⁶) = 638,9 µs

Quarto di periodo

t = T/4 = 159,7 µs

Risposta

t = 159,7 µs
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: RD = 1100 kΩ

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).

Resistenza dinamica

RD = 0,022/(1 × 10⁻⁹·20) = 1,1 × 10⁶ Ω = 1100 kΩ

Verifica con Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 234,5, Q²·r = 1,1 × 10⁶ Ω

Risposta

RD = 1100 kΩ
9.Sistemi trifase

Risposta: IL = 16,33 A

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 elettrica assorbita

Pin = Pout/η = 11/0,9 = 12,22 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 12222/(√3·480·0,9) = 16,33 A

Risposta

IL = 16,33 A
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 209,6 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 0,78) = 250·0,8023 = 200,6 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,92) = 250·0,426 = 106,5 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 94,07 kvar

Capacità per fase

In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 31357/(314,2·690²) = 209,6 µF

Risposta

Cph = 209,6 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 2,69 V

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.

Equivalente di Thévenin visto dal condensatore

Cortocircuita il generatore per trovare Rth; apri il condensatore per trovare la tensione a cui si stabilizzerà.

Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·1/(4,7 + 1) = 0,8246 kΩ
vC(∞) = 20·1/(4,7 + 1) = 3,509 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 0,8246·100 = 82,46 ms

Curva di carica

vC(t) = 3,509·(1 − e−120/82,46) = 2,69 V

Risposta

vC = 2,69 V
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 13,97 V

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.

Valore iniziale, valore finale, costante di tempo

La tensione del condensatore non può saltare, quindi parte dal valore immagazzinato e tende alla tensione del generatore.

vC(0) = 24 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 10 kΩ · 10 µF = 100 ms
vC(t) = 5 + (24 − 5)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(75) = 5 + (19)·e−75/100 = 13,97 V

Risposta

vC = 13,97 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 1,5 A

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​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩCORTOR2​4 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 4 = 6 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAab+−Vth​

Trova Vth, la tensione a vuoto

Con a–b aperti, in R₃ non scorre corrente, quindi non c’è caduta su di essa e V_b = V_A. R₁ e R₂ formano un partitore di tensione.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 18·4/(4+4) = 9 V
IN​1,5 ARth​6 Ωab

Equivalente di Norton

Un generatore di Norton è lo stesso circuito visto come un generatore di corrente in parallelo con R_th. La sua corrente è la corrente di cortocircuito tra a–b.

IN = Vth/Rth = 9/6 = 1,5 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 48 V

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​ = 5 ΩR3​ = 5 ΩCORTOR2​5 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 = 5·5/(5+5) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 5 = 7,5 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​5 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) = 3 + 6·2,5 = 18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18 + 6·5 = 48 V
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ∠G(jω) = −77,47 °

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.

Somma gli angoli

∠G = atan(1/2) − 90° − atan(1/4) = 26,57° − 90° − 14,04°

Risultato

∠G(j1) = −77,47°

Risposta

∠G(jω) = −77,47°
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: PM = 27,22 °

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 + 64ω² − 73984 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·73984))/2 = 241,9
ωc = 15,55 rad/s

Margine di fase

∠L(jωc) = −90° − atan(15,55/8) = −152,8°
PM = 180° + ∠L = 27,22°

Risposta

PM = 27,22°

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