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
ReIm55−5−51010−10−10θz

Scrivi z = 10∠110° in forma cartesiana a + jb e dai la parte reale a.

r = 10θ = 110°
a =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂

Risolvi z² − 6z + 10 = 0. Le radici sono a ± jb; trova b > 0.

p = −6q = 10
b =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V200 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 10 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 200 Hz. Trova il fattore di potenza cos φ del circuito.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 10 µF
cos φ =
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 15 ΩL = 100 mHC = 1 µF

Un circuito RLC serie ha R = 15 Ω, L = 100 mH e C = 1 µF. Trova il suo fattore di qualità Q in risonanza.

R = 15 ΩL = 100 mHC = 1 µF
Q =
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 V117 kW, 0,85219 kW, 1I = ?

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 240 V: un carico da 17 kW con fattore di potenza 0,85 induttivo e una stufa elettrica da 19 kW (fattore di potenza unitario). Trova la corrente totale I assorbita dall’alimentazione.

V = 240 VP1 = 17 kW, pf1 = 0,85 in ritardoP2 = 19 kW, pf2 = 1
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 40 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 60 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,95. Trova la capacità C necessaria.

P = 40 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V4,7 kΩ10 mH22 nF

Un circuito RLC parallelo ha R = 4,7 kΩ, L = 10 mH e C = 22 nF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 4,7 kΩL = 10 mHC = 22 nF
Q =
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
V22 Ω47 mH100 nF200 mA

Un circuito RLC serie (R = 22 Ω, L = 47 mH, C = 100 nF) è alimentato alla risonanza con un’ampiezza di corrente di 200 mA. Trova l’energia Ecycle dissipata in R durante un ciclo, in µJ.

R = 22 ΩL = 47 mHC = 100 nFIm = 200 mA
Ecycle = µJ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VZ = 4 + j3 Ωper fase

Un carico equilibrato a triangolo 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 = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 300 kW con un fattore di potenza di 0,7 in ritardo da una rete a 400 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. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 300 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R = 33 ΩL47 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W immagazzinata nell’induttore a t = 1 ms, in mJ.

Vs = 20 VR = 33 ΩL = 47 mHt = 1 ms
W = mJ
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​20 Vsi apre a t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 1 kΩC68 µF+−vC​

L’interruttore è chiuso da molto tempo, quindi il circuito è a regime. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la tensione del condensatore vC in t = 150 ms.

Vs = 20 VR1 = 4,7 kΩR2 = 1 kΩC = 68 µFt = 150 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​6 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 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩRL = 12 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​6 ABab

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

V1 = 10 VIs = 6 AR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​R = 1000 ΩL = 1 mHvout​

Il filtro passa-alto RL mostrato ha R = 1000 Ω, L = 1 mH. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 320 kHz. Trova il guadagno |H| = |vout/vin| in dB.

R = 1000 ΩL = 1 mHf = 320 kHz
|H| = dB
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,010,010,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 1,6/(s(s + 2)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.

L(s) = 1,6/(s(s + 2))
ωc = rad/s

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: a = −3,42

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 = 10·cos(110°) = −3,42
b = 10·sin(110°) = 9,397

Forma cartesiana

z = −3,42 + j9,397
a = −3,42

Risposta

a = −3,42
2.Numeri complessi

Risposta: b = 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 = 36 − 40 = −4 < 0

Formula risolutiva

z = (6 ± j√4)/2 = 3 + j, 3 − j

Risposta

b = 1

Risposta

b = 1
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: cos φ = 0,4222

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 = 251,3 Ω, XC = 79,58 Ω

Impedenza

|Z| = √(80² + (171,7)²) = 189,5 Ω

Fattore di potenza

cos φ = R/|Z| = 80/189,5 = 0,4222
Il circuito è induttivo, quindi il fattore di potenza è induttivo (in ritardo).

Risposta

cos φ = 0,4222
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: Q = 21,08

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·√(0,1·1·10⁻⁶)) = 503,3 Hz

Fattore di qualità

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/15)·√(0,1/(1·10⁻⁶)) = 21,08

Risposta

Q = 21,08
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 156,3 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 = 17·tan(arccos 0,85) = 10,54 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totali

P = 17 + 19 = 36 kW
Q = 10,54 + 0 = 10,54 kvar
S = √(36² + 10,54²) = 37,51 kVA

Corrente totale

I = S/V = 37510/240 = 156,3 A

Risposta

I = 156,3 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 1274 µF

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 = P·tan φ1 = 40·tan(45,57°) = 40,81 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(18,19°) = 13,15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 27,66 kvar

Capacità

Un condensatore in parallelo all’alimentazione fornisce Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 27661/(2π·60·240²) = 1274 µF

Risposta

C = 1274 µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 6,971

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).

Frequenza di risonanza

ω₀ = 1/√(LC) = 67420 rad/s

Fattore di qualità

Q = R/(ω₀L) = 4700/(67420·0,01) = 6,971

Risposta

Q = 6,971

La larghezza di banda è 1/(2πRC) = 1,539 kHz.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Ecycle = 189,5 µJ

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).

Energia immagazzinata

W = ½·0,047·0,2² = 0,00094 J

Fattore di qualità

Q = (1/22)·√(0,047/1 × 10⁻⁷) = 31,16

Energia persa per ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·0,00094/31,16 = 0,0001895 J = 189,5 µJ
verifica: ½·0,2²·22/2322 = 0,0001895 J

Risposta

Ecycle = 189,5 µJ
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 110,6 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 = VL = 480 V

Corrente di fase

|Z| = √(4² + 3²) = 5 Ω
Iph = 480/5 = 96 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·96²·4 = 110,6 kW

Risposta

P = 110,6 kW

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

10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 245,1 kvar

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 = 300·tan(acos 0,7) = 300·1,02 = 306,1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,98) = 300·0,2031 = 60,92 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 245,1 kvar

Risposta

QC = 245,1 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: W = 2,197 mJ

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 = 47 mH / 33 Ω = 1,424 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 A

Corrente all’istante dato

i(t) = 0,6061·(1 − e−1/1,424) = 0,3057 A

Energia immagazzinata

W = ½·L·i² = ½·47·0,3057² = 2,197 mJ

Risposta

W = 2,197 mJ
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 0,3865 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.

Tensione iniziale del condensatore

A regime il condensatore è un circuito aperto, quindi R₁ e R₂ formano un partitore di tensione. La tensione del condensatore non può variare bruscamente quando l’interruttore si apre.

vC(0) = 20·1/(4,7 + 1) = 3,509 V

Costante di tempo dopo l’apertura dell’interruttore

τ = R2·C = 1·68 = 68 ms

Scarica

vC(t) = 3,509·e−150/68 = 0,3865 V

Risposta

vC = 0,3865 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,3846 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​ = 2 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​6 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 6 = 7,5 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​6 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) = 10·6/(2+6) = 7,5 V
Rth​ = 7,5 Ω+−Vth​7,5 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) = 7,5/(7,5 + 12) = 0,3846 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 159,3 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​ = 25 ΩR3​ = 12 ΩCORTOR2​30 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 = 25·30/(25+30) = 13,64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13,64 + 12 = 25,64 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​30 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) = 5,455 + 6·13,64 = 87,27 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 87,27 + 6·12 = 159,3 V
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |H| = −0,9599 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.

Frequenza di taglio

ωc = R/L = 1000/0,001 = 1 × 10⁶ rad/s
fc = 159155 Hz → f/fc = 320000/159155 = 2,011

Guadagno

|H| = 2,011/√(1 + 2,011²) = 0,8954
20·log₁₀(0,8954) = −0,9599 dB

Risposta

|H| = −0,9599 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ωc = 0,7492 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 del guadagno

ω⁴ + 4ω² − 2,56 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·2,56))/2 = 0,5612
ωc = 0,7492 rad/s

Risposta

ωc = 0,7492 rad/s

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