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∠30° e z₂ = 0,5∠65°, trova la parte reale di w = z₁/z₂.

z₁ = 3∠30°z₂ = 0,5∠65°
Re(w) =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Risolvi z² + 3z + 27,25 = 0. Le radici sono a ± jb; trova la parte reale a.

p = 3q = 27,25
a =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
50 V200 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 200 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
φ = °
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
5 Vf0​R = 10 ΩL = 10 mHC = 0,47 µF

Un circuito RLC serie è alimentato da un generatore da 5 V (efficaci) la cui frequenza è regolata sulla frequenza di risonanza del circuito. Trova la tensione efficace VL ai capi dell’induttore.

V = 5 V (rms)R = 10 ΩL = 10 mHC = 0,47 µF
VL = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
400 V124 kW, 0,726 kW, 0,85I = ?

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 400 V: un carico da 24 kW con fattore di potenza 0,7 induttivo e un carico da 6 kW con fattore di potenza 0,85 induttivo. Trova la corrente totale I assorbita dall’alimentazione.

V = 400 VP1 = 24 kW, pf1 = 0,7 in ritardoP2 = 6 kW, pf2 = 0,85 in ritardo
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P1​ = 89 kWQ1​S1​φ

Un trasformatore monofase da 200 kVA alimenta un carico di 89 kW con fattore di potenza 0,8 induttivo. Quanta potenza attiva in più ΔP si può aggiungere come carico resistivo (fattore di potenza unitario) prima che il trasformatore raggiunga la sua potenza nominale in kVA?

Smax = 200 kVAP1 = 89 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
f|I|0,7071200 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuito RLC serie risuona a 200 kHz con Q = 2,5. Trova esattamente la frequenza di mezza potenza inferiore f1, in kHz.

f0 = 200 kHzQ = 2,5
f1 = kHz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
C = 22 nFr = 0,5 ΩL = 22 mH

Un circuito risonante parallelo è fatto di un condensatore da 22 nF e una bobina da 22 mH con resistenza dell’avvolgimento di 0,5 Ω. In risonanza si comporta come un resistore, la sua resistenza dinamica è RD = L/(C·r). Trova RD in kΩ.

L = 22 mHC = 22 nFr = 0,5 Ω
RD = kΩ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VNZ = 4 + j3 Ωper fase

Un carico equilibrato a stella con un’impedenza di 4 + j3 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 480 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 480 VZ = 4 + j3 Ω per fase
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 60 kW con un fattore di potenza di 0,75 in ritardo da una rete a 400 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 = 60 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​9 Vt = 0R = 68 ΩL150 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 = 9 VR = 68 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​10 Vt = 0R = 4,7 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 6 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 120 ms.

Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 100 µFvC(0) = 6 Vt = 120 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩARL​12 ΩIL​B

Un carico RL = 12 Ω è collegato tra a–b. Sostituisci il resto del circuito con il suo equivalente di Thévenin e trova la corrente nel carico IL.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩRL = 12 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​5 VR2​25 ΩAIs​6 ABRL​20 ΩIL​

Un carico RL = 20 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 5 VIs = 6 AR1 = 6 ΩR2 = 25 ΩR3 = 4 ΩRL = 20 Ω
PL = W
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​L = 10 mHC = 10 µFR = 5 Ωvout​

Nel filtro passa-banda RLC serie mostrato l’uscita è prelevata ai capi di R = 5 Ω, con L = 10 mH e C = 10 µF. Trova la frequenza centrale (di risonanza) f0 in Hz.

R = 5 ΩL = 10 mHC = 10 µF
f0 = Hz
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Un anello a retroazione unitaria ha la funzione di trasferimento ad anello aperto L(s) = 78/(s(s + 4)(s + 7)). Trova la pulsazione di attraversamento della fase ω180, dove ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 78/(s(s + 4)(s + 7))
ω180 = rad/s

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: Re(w) = 4,915

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 / 0,5 = 6
θ = 30° − 65° = −35°

Forma cartesiana

Re(w) = 6·cos(−35°) = 4,915
Im(w) = 6·sin(−35°) = −3,441
Re(w) = 4,915

Risposta

Re(w) = 4,915
2.Numeri complessi

Risposta: a = −1,5

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.

Discriminante

p² − 4q = 9 − 109 = −100 < 0

Formula risolutiva

z = (−3 ± j√100)/2 = −1,5 + j5, −1,5 − j5

Risposta

a = −1,5

Risposta

a = −1,5
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = 20,99 °

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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4,7·10⁻⁶) = 169,3 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (19,18)²) = 53,55 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(19,18/50) = 20,99°

Risposta

φ = 20,99°
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VL = 72,93 V

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 si annullano, quindi l’impedenza è semplicemente R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·0,47·10⁻⁶) = 14586 rad/s
I = V/R = 5/10 = 0,5 A

Tensione ai capi dell’induttore

XL = ω₀L = 14586·0,01 = 145,9 Ω
VL = I·XL = 0,5·145,9 = 72,93 V

Risposta

VL = 72,93 V

Questo è Q = 14,59 volte la tensione di alimentazione.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 102,9 A

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 di ciascun carico

Un carico induttivo assorbe potenza reattiva (Q > 0); un carico capacitivo la fornisce (Q < 0).

Q1 = 24·tan(arccos 0,7) = 24,48 kvar
Q2 = 6·tan(arccos 0,85) = 3,718 kvar

Totali

P = 24 + 6 = 30 kW
Q = 24,48 + 3,718 = 28,2 kvar
S = √(30² + 28,2²) = 41,18 kVA

Corrente totale

I = S/V = 41176/400 = 102,9 A

Risposta

I = 102,9 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: ΔP = 99,53 kW

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 del carico esistente

Q1 = 89·tan(arccos 0,8) = 66,75 kvar

Massima potenza attiva totale

Alla potenza nominale S = Smax, e Q non cambia con il carico resistivo.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 66,75²) = 188,5 kW

Potenza attiva aggiuntiva

ΔP = 188,5 − 89 = 99,53 kW

Risposta

ΔP = 99,53 kW
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: f1 = 164 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).

Termine con la radice quadrata

√(1 + 1/(4·2,5²)) = 1,02

Frequenza di mezza potenza inferiore

f1 = 200000·(1,02 − 0,2) = 163961 Hz = 164 kHz

Risposta

f1 = 164 kHz

Quella superiore è f₂ = 244 kHz; verifica: f₂ − f₁ = 80 kHz = f₀/Q.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: RD = 2000 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/(2,2 × 10⁻⁸·0,5) = 2 × 10⁶ Ω = 2000 kΩ

Verifica con Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 2000, Q²·r = 2 × 10⁶ Ω

Risposta

RD = 2000 kΩ
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 36,86 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.

Tensione di fase

Vph = 480/√3 = 277,1 V

Corrente di fase

|Z| = √(4² + 3²) = 5 Ω
Iph = 277,1/5 = 55,43 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·55,43²·4 = 36,86 kW

Risposta

P = 36,86 kW

Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,8, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.

10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 675,3 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 = 60·tan(acos 0,75) = 60·0,8819 = 52,92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,98) = 60·0,2031 = 12,18 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 40,73 kvar

Capacità per fase

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

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13577/(377·230,9²) = 675,3 µF

Risposta

Cph = 675,3 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,1186 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 = 150 mH / 68 Ω = 2,206 ms
i(∞) = Vs/R = 9/68 = 0,1324 A

Corrente all’istante dato

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,1324·(1 − e−5/2,206) = 0,1186 A

Risposta

i = 0,1186 A
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 6,901 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) = 6 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 100 µF = 470 ms
vC(t) = 10 + (6 − 10)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(120) = 10 + (−4)·e−120/470 = 6,901 V

Risposta

vC = 6,901 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,1446 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​ = 20 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​8 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 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 6 = 11,71 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​8 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) = 12·8/(20+8) = 3,429 V
Rth​ = 11,71 Ω+−Vth​3,429 VRL​12 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) = 3,429/(11,71 + 12) = 0,1446 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 78,31 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​ = 6 ΩR3​ = 4 ΩCORTOR2​25 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 = 6·25/(6+25) = 4,839 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,839 + 4 = 8,839 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​5 VR2​25 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) = 4,032 + 6·4,839 = 33,06 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33,06 + 6·4 = 57,06 V
Rth​ = 8,839 Ω+−Vth​57,06 VRL​20 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) = 57,06/(8,839 + 20) = 1,979 A
PL = IL²·RL = 1,979²·20 = 78,31 W
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: f0 = 503,3 Hz

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 risonanza

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·1 × 10⁻⁵) = 3162 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 503,3 Hz

Risposta

f0 = 503,3 Hz
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ω180 = 5,292 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 della fase

(ω/4)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(4·7) = 5,292 rad/s

Risposta

ω180 = 5,292 rad/s

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