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
ReIm55−5−5θz

Scrivi z = −7 − j6 in forma esponenziale r·ejθ. Dai θ in radianti, tra −π e π.

z = −7 − j6
θ = rad
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−2θz

Usa il teorema di De Moivre per trovare la parte immaginaria di z⁹ per z = √3 + j.

z = √3 + jn = 9
Im(z⁹) =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V100 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 10 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 100 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 10 µF
φ = °
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 20 ΩL = 100 mHC = 0,22 µF

Un circuito RLC serie ha R = 20 Ω, L = 100 mH e C = 0,22 µF. Trova la sua larghezza di banda B (l’ampiezza della banda tra le frequenze a metà potenza), in Hz.

R = 20 ΩL = 100 mHC = 0,22 µF
B = Hz
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 25 kWQ = ?Sφ

Un motore monofase assorbe 25 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 230 V. Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

P = 25 kWpf = 0,75V = 230 V
Q = kvar
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
12 V60 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j5 ΩZL​ = ?

Un generatore da 12 V (efficaci), 60 Hz ha un’impedenza interna Zs = 50 + j5 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.

Vs = 12 V (rms)f = 60 HzZs = 50 + j5 Ω
Pmax = W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
C = 470 nF+−4,5 VL = 100 µHiL​

Un condensatore da 470 nF caricato a 6 V oscilla con un induttore ideale da 100 µH. Trova l’energia WL immagazzinata nell’induttore nell’istante in cui la tensione sul condensatore è 4,5 V, in µJ.

C = 470 nFV0 = 6 VvC = 4,5 V
WL = µJ
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
VR = ?22 µHC

Un circuito risonante serie usa un induttore da 22 µH. Quale resistenza serie totale R dà una larghezza di banda di 2 kHz?

L = 22 µHBW = 2 kHz
R = Ω
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = 60 Acos φ = 0,9in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 60 A da una rete con una tensione concatenata di 690 V. Il fattore di potenza è 0,9 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 690 VIL = 60 Acos φ = 0,9
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 200 kW con un fattore di potenza di 0,65 in ritardo da una rete a 415 V (tensione concatenata) e 50 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,95 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 200 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 ΩL220 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Quanto tempo dopo la chiusura dell’interruttore la corrente raggiunge il 50% del suo valore finale? Trova t.

Vs = 5 VR = 10 ΩL = 220 mH
t = ms
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 4 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 4,5 V? Trova t.

Vs = 5 VR = 10 kΩC = 10 µFvC(0) = 4 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 5 VIs = 5 AR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,11101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 3

Trova il modulo esatto |G(jω)| di G(s) = 1710/((s + 10)(s + 19)) a ω = 3 rad/s, in dB.

G(s) = 1710/((s + 10)(s + 19))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un anello a retroazione unitaria ha la funzione di trasferimento ad anello aperto L(s) = 18/(s(s + 4)(s + 5)). Trova il margine di guadagno GM in dB.

L(s) = 18/(s(s + 4)(s + 5))
GM = dB

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = −2,433 rad

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

r = √(49 + 36) = 9,22

Argomento in radianti

θ = −139,4° = −139,4·π/180 = −2,433 rad

Forma esponenziale

z = 9,22·e−j2,433

Risposta

θ = −2,433 rad
2.Numeri complessi

Risposta: Im(z⁹) = −512

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.

Forma polare

z = √3 + j = 2∠30°

De Moivre

z⁹ = (2)⁹∠270° = 512∠−90°

Forma cartesiana

z⁹ = 512·(cos −90° + j sin −90°) = −j512
Im(z⁹) = −512

Risposta

Im(z⁹) = −512
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −80,32 °

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 = 628,3·0,02 = 12,57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·10·10⁻⁶) = 159,2 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (−146,6)²) = 148,7 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−146,6/25) = −80,32°

Risposta

φ = −80,32°
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: B = 31,83 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|.

Frequenza di risonanza

f0 = 1/(2π·√(0,1·0,22·10⁻⁶)) = 1073 Hz

Fattore di qualità

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0,1/(0,22·10⁻⁶)) = 33,71

Larghezza di banda

B = f0/Q = 1073/33,71 = 31,83 Hz

Risposta

B = 31,83 Hz
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 22,05 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(0,75) = 41,41°, tan φ = 0,8819

Potenza reattiva

Q = P·tan φ = 25·0,8819 = 22,05 kvar

Risposta

Q = 22,05 kvar
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Pmax = 0,72 W

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.

Adattamento coniugato

La reattanza del carico annulla la reattanza del generatore, e la resistenza del carico è uguale alla resistenza del generatore.

ZL = Zs* = 50 − j5 Ω

Potenza massima

I = Vs/(2Rs) = 12/100 = 0,12 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 12²/(4·50) = 0,72 W

Risposta

Pmax = 0,72 W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: WL = 3,701 µJ

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.

Energia totale

½·4,7 × 10⁻⁷·6² = 8,46 × 10⁻⁶ J

Energia rimasta nel condensatore

½·4,7 × 10⁻⁷·4,5² = 4,759 × 10⁻⁶ J

Energia nell’induttore

WL = 3,701 × 10⁻⁶ J = 3,701 µJ

Risposta

WL = 3,701 µJ
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: R = 0,2765 Ω

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 serie

BW = R/(2πL)

Resistenza

R = 2π·2,2 × 10⁻⁵·2000 = 0,2765 Ω

Risposta

R = 0,2765 Ω
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 64,54 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 = √3·690·60 = 71,71 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 71,71·0,9 = 64,54 kW

Risposta

P = 64,54 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 1036 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 = 200·tan(acos 0,65) = 200·1,169 = 233,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,95) = 200·0,3287 = 65,74 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 168,1 kvar

Capacità per fase

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

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 56030/(314,2·415²) = 1036 µF

Risposta

Cph = 1036 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: t = 15,25 ms

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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 5/10 = 0,5 A

Risolvi per il tempo

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −22·ln(0,5) = 15,25 ms

Risposta

t = 15,25 ms
12.Transitori RC e RL

Risposta: t = 69,31 ms

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) = 4 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 10 kΩ · 10 µF = 100 ms
vC(t) = 5 + (4 − 5)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

4,5 = 5 + (−1)·e−t/τ → e−t/τ = (4,5 − 5)/(4 − 5) = 0,5
t = τ·ln((4 − 5)/(4,5 − 5)) = 100·ln(2) = 69,31 ms

Risposta

t = 69,31 ms
13.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 7,059 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​ = 8 ΩCORTOR2​12 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 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 8 = 11,53 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​12 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) = 10·12/(5+12) = 7,059 V
14.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 5,263 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​ = 10 ΩR3​ = 3 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 3 = 6,333 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAIs​5 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) = 1,667 + 5·3,333 = 18,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,33 + 5·3 = 33,33 V
IN​5,263 ARth​6,333 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 = 33,33/6,333 = 5,263 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |G(jω)| = 18,6 dB

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.

Moltiplica i moduli

|G(j3)| = 1710/(√(3² + 10²)·√(3² + 19²)) = 1710/(10,44·19,24) = 8,515

Risultato

20·log₁₀(8,515) = 18,6 dB

Risposta

|G(jω)| = 18,6 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: GM = 20 dB

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 della fase

(ω/4)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(4·5) = 4,472 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 25)) = K/(4·5·(4 + 5)) = K/180

Margine di guadagno

GM = 20·log₁₀(180/18) = 20 dB

Risposta

GM = 20 dB

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