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
ReIm22−2−244−4−4θz

Scrivi z = 5∠−20° in forma cartesiana a + jb e dai la parte reale a.

r = 5θ = −20°
a =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃z₄

Le radici di zⁿ = w con n = 5 e w = 32∠180° sono zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, …, 4. Trova la parte reale di z₀.

w = 32∠180°n = 5k = 0
Re(z₀) =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
24 V50 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 50 Hz. Trova il fattore di potenza cos φ del circuito.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 100 µF
cos φ =
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
120 V50 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 10 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 50 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 10 µF
I = A
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 V14 kW, 0,7217 kW, 1I

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 240 V: un carico da 4 kW con fattore di potenza 0,7 induttivo e una stufa elettrica da 17 kW (fattore di potenza unitario). Trova il fattore di potenza complessivo cos φ visto dall’alimentazione.

V = 240 VP1 = 4 kW, pf1 = 0,7 in ritardoP2 = 17 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
240 V50 Hzcarico6 kW, 0,75C47 µFI = ?

Un carico monofase assorbe 6 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 50 Hz. Un condensatore da 47 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova la nuova corrente di linea I.

P = 6 kWpf1 = 0,75V = 240 Vf = 50 HzC = 47 µF
I = A
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V10 Ω470 µH10 nF

Un circuito RLC serie ha R = 10 Ω, L = 470 µH e C = 10 nF. Trova la sua larghezza di banda BW in kHz.

R = 10 ΩL = 470 µHC = 10 nF
BW = kHz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
C = 10 nFr = 5 ΩL = 22 µH

Un circuito risonante parallelo è fatto di un condensatore da 10 nF e una bobina da 22 µH con resistenza dell’avvolgimento di 5 Ω. In risonanza si comporta come un resistore, la sua resistenza dinamica è RD = L/(C·r). Trova RD in kΩ.

L = 22 µHC = 10 nFr = 5 Ω
RD = kΩ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VNZ = 24 + j18 Ωper fase

Un carico equilibrato a stella con un’impedenza di 24 + j18 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 = 24 + j18 Ω per fase
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 150 kW con un fattore di potenza di 0,72 in ritardo da una rete a 480 V (tensione concatenata) e 50 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 = 150 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
R = 22 Ωt = 0L10 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 0,5 A. A t = 0 l’interruttore chiude la maglia attraverso R e il generatore viene escluso, quindi la corrente dell’induttore decresce attraverso R. Trova la tensione vR ai capi di R a t = 1 ms.

i(0) = 0,5 AR = 22 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vR = V
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​6 VR1​ = 47 ΩR2​ = 22 Ωsi chiude a t = 0L22 mHi(t)

L’interruttore in parallelo a R2 è aperto da molto tempo, quindi la corrente dell’induttore è stazionaria. A t = 0 l’interruttore si chiude e cortocircuita R2. Quanto tempo dopo t = 0 la corrente dell’induttore raggiunge 0,099 A? Trova t.

Vs = 6 VR1 = 47 ΩR2 = 22 ΩL = 22 mH
t = ms
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAab

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

V1 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 25 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAIs​1,5 ABRL​6 ΩIL​

Un carico RL = 6 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 5 VIs = 1,5 AR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩRL = 6 Ω
PL = W
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​R = 47 kΩC = 100 nFvout​

Il filtro passa-basso RC mostrato ha R = 47 kΩ, C = 100 nF. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 17 Hz. Trova lo sfasamento φ di vout rispetto a vin, in gradi.

R = 47 kΩC = 100 nFf = 17 Hz
φ = °
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) = 18/(s(s + 1)(s + 5)). Trova il margine di guadagno GM in dB.

L(s) = 18/(s(s + 1)(s + 5))
GM = dB

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: a = 4,698

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 = 5·cos(−20°) = 4,698
b = 5·sin(−20°) = −1,71

Forma cartesiana

z = 4,698 − j1,71
a = 4,698

Risposta

a = 4,698
2.Numeri complessi

Risposta: Re(z₀) = 1,618

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 delle radici

321/5 = 2

Argomento della radice

θ₀ = (180° + 360°·0)/5 = 36°

Forma cartesiana

z₀ = 2·(cos 36° + j sin 36°) = 1,618 + j1,176
Re(z₀) = 1,618

Risposta

Re(z₀) = 1,618

Le 5 radici giacciono sulla circonferenza di raggio 2, a distanza angolare di 72°.

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: cos φ = 0,8428

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

XL = 6,283 Ω, XC = 31,83 Ω

Impedenza

|Z| = √(40² + (−25,55)²) = 47,46 Ω

Fattore di potenza

cos φ = R/|Z| = 40/47,46 = 0,8428
Il circuito è capacitivo, quindi il fattore di potenza è capacitivo (in anticipo).

Risposta

cos φ = 0,8428
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,4143 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,1 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·10·10⁻⁶) = 318,3 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−286,9)²) = 289,7 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 120/289,7 = 0,4143 A

Risposta

I = 0,4143 A
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,9816

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 = 4·tan(arccos 0,7) = 4,081 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totali

P = 4 + 17 = 21 kW
Q = 4,081 + 0 = 4,081 kvar
S = √(21² + 4,081²) = 21,39 kVA

Fattore di potenza complessivo

cos φ = P/S = 21/21,39 = 0,9816 in ritardo

Risposta

cos φ = 0,9816
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 31,1 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 prima e dopo

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

Q1 = 6·tan(arccos 0,75) = 5,292 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·47·10⁻⁶ = 850,5 var = 0,8505 kvar
Q2 = 5,292 − 0,8505 = 4,441 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(6² + 4,441²) = 7,465 kVA

Nuova corrente di linea

I = S2/V = 7465/240 = 31,1 A

Risposta

I = 31,1 A
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 = 10/0,00047 = 21277 rad/s

Larghezza di banda in Hz

BW = 21277/(2π) = 3386 Hz = 3,386 kHz

Risposta

BW = 3,386 kHz

Con f₀ = 73,41 kHz si ottiene Q = 21,68.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: RD = 0,44 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 = 2,2 × 10⁻⁵/(1 × 10⁻⁸·5) = 440 Ω = 0,44 kΩ

Verifica con Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 9,381, Q²·r = 440 Ω

Risposta

RD = 0,44 kΩ
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 6,144 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| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 277,1/30 = 9,238 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·9,238²·24 = 6,144 kW

Risposta

P = 6,144 kW

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

10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 1577 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 = 150·tan(acos 0,72) = 150·0,9639 = 144,6 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 114,1 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·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 38040/(314,2·277,1²) = 1577 µF

Risposta

Cph = 1577 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: vR = 1,219 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.

Costante di tempo

τ = L/R = 10 mH / 22 Ω = 0,4545 ms

Decadimento della corrente

i(t) = 0,5·e−1/0,4545 = 0,0554 A
vR = R·i = 22·0,0554 = 1,219 V

Risposta

vR = 1,219 V
12.Transitori RC e RL

Risposta: t = 0,1642 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

Prima di t = 0 entrambi i resistori sono nella maglia; dopo, l’interruttore chiuso esclude R₂.

i(0) = 6/(47 + 22) = 0,08696 A
i(∞) = 6/47 = 0,1277 A
τ = L/R = 22/47 = 0,4681 ms
i(t) = 0,1277 + (0,08696 − 0,1277)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

e−t/τ = (0,099 − 0,1277)/(0,08696 − 0,1277) = 0,7041
t = 0,4681·ln(1,42) = 0,1642 ms

Risposta

t = 0,1642 ms
13.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 6,714 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​ = 3 ΩR3​ = 5 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 5 = 6,714 Ω
14.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 6,621 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​ = 25 ΩR3​ = 8 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 = 25·5/(25+5) = 4,167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,167 + 8 = 12,17 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAIs​1,5 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) = 0,8333 + 1,5·4,167 = 7,083 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,083 + 1,5·8 = 19,08 V
Rth​ = 12,17 Ω+−Vth​19,08 VRL​6 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) = 19,08/(12,17 + 6) = 1,05 A
PL = IL²·RL = 1,05²·6 = 6,621 W
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: φ = −26,66 °

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 = 1/(RC) = 1/(47000·1 × 10⁻⁷) = 212,8 rad/s
fc = 33,86 Hz → f/fc = 17/33,86 = 0,502

Fase

φ = − atan(0,502) = −26,66°

Risposta

φ = −26,66°
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: GM = 4,437 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/1)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(1·5) = 2,236 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 25)) = K/(1·5·(1 + 5)) = K/30

Margine di guadagno

GM = 20·log₁₀(30/18) = 4,437 dB

Risposta

GM = 4,437 dB

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