Decidi quale forma si adatta all’operazione: cartesiana a + jb per sommare e sottrarre, polare r∠θ per moltiplicare, dividere, potenze e radici.
Sviluppa con j² = −1; dividi moltiplicando numeratore e denominatore per il coniugato del denominatore.
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.
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
Converti la frequenza: ω = 2πf.
Trova ogni reattanza: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
Somma le impedenze come resistori, con Z = R + jX.
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
Trova prima la frequenza di risonanza: ω₀ = 1/√(LC) e f₀ = ω₀/(2π).
Decidi se il circuito è serie o parallelo: serie Q = (1/R)√(L/C), parallelo Q = R√(C/L).
Usa BW = f₀/Q per la larghezza di banda, oppure le scorciatoie R/(2πL) (serie) e 1/(2πRC) (parallelo).
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
Trova il valore iniziale subito dopo la commutazione: la tensione di un condensatore e la corrente di un induttore non possono variare a scatto.
Trova il valore finale molto tempo dopo la commutazione: un condensatore si comporta come un circuito aperto, un induttore come un cortocircuito.
Trova la costante di tempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistenza vista dal condensatore o dall’induttore.
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
Togli il carico e indica i due morsetti a e b.
Trova la tensione a vuoto tra a e b: questa è Vth.
Spegni tutti i generatori indipendenti e trova la resistenza vista da a–b: questa è Rth.
Ricollega il carico al circuito equivalente: Vth in serie con Rth.
Per l’equivalente di Norton, converti: IN = Vth/Rth, con RN = Rth in parallelo.
2Esercizi
1.Numeri complessiMedia
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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).
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.
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.
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.
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.
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
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.
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
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
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.
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.