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 = −9 + j9 in forma esponenziale r·ejθ. Dai θ in radianti, tra −π e π.

z = −9 + j9
θ = rad
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃

Le radici di zⁿ = w con n = 4 e w = 81∠135° sono zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2, 3. Trova la parte immaginaria di z₁.

w = 81∠135°n = 4k = 1
Im(z₁) =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V500 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 22 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 500 Hz. Trova la potenza attiva P assorbita dall’alimentazione.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 22 µF
P = W
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
120 V200 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 4,7 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 200 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
I = A
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 20 kWQ = ?Sφ

Un motore monofase assorbe 20 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 240 V. Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

P = 20 kWpf = 0,75V = 240 V
Q = kvar
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P1​ = 55 kWQ1​S1​φ

Un trasformatore monofase da 150 kVA alimenta un carico di 55 kW con fattore di potenza 0,65 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 = 150 kVAP1 = 55 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V2,2 kΩ1 mH1 nF

Un circuito RLC parallelo ha R = 2,2 kΩ, L = 1 mH e C = 1 nF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 2,2 kΩL = 1 mHC = 1 nF
Q =
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
C = 1 nFr = 1 ΩL = 100 µH

Un circuito risonante parallelo è fatto di un condensatore da 1 nF e una bobina da 100 µH con resistenza dell’avvolgimento di 1 Ω. In risonanza si comporta come un resistore, la sua resistenza dinamica è RD = L/(C·r). Trova RD in kΩ.

L = 100 µHC = 1 nFr = 1 Ω
RD = kΩ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M110 kW, η = 88%cos φ = 0,82

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 110 kW. A questo carico il suo rendimento è del 88% e il suo fattore di potenza è 0,82 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 690 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 110 kWη = 88%cos φ = 0,82VL = 690 V
IL = A
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 300 kW con un fattore di potenza di 0,72 in ritardo da una rete a 690 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 triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 300 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R = 10 ΩL150 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova la tensione vL ai capi dell’induttore in t = 5 ms.

Vs = 15 VR = 10 ΩL = 150 mHt = 5 ms
vL = V
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​10 Vt = 0R = 1 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 18 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 14 V? Trova t.

Vs = 10 VR = 1 kΩC = 68 µFvC(0) = 18 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 25 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 30 VIs = 5 AR1 = 25 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)1101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 20

Trova il modulo esatto |G(jω)| di G(s) = 2600/((s + 13)(s + 20)) a ω = 20 rad/s, in dB.

G(s) = 2600/((s + 13)(s + 20))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 60/(s(s + 3)(s + 4)). Trova il margine di guadagno GM in dB.

L(s) = 60/(s(s + 3)(s + 4))
GM = dB

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = 2,356 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 = √(81 + 81) = 12,73

Argomento in radianti

θ = 135° = 135·π/180 = 2,356 rad

Forma esponenziale

z = 12,73·ej2,356

Risposta

θ = 2,356 rad
2.Numeri complessi

Risposta: Im(z₁) = 2,494

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

811/4 = 3

Argomento della radice

θ₁ = (135° + 360°·1)/4 = 123,8°

Forma cartesiana

z₁ = 3·(cos 123,8° + j sin 123,8°) = −1,667 + j2,494
Im(z₁) = 2,494

Risposta

Im(z₁) = 2,494

Le 4 radici giacciono sulla circonferenza di raggio 3, a distanza angolare di 90°.

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: P = 26,26 W

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 = 157,1 Ω, XC = 14,47 Ω

Impedenza

|Z| = √(40² + (142,6)²) = 148,1 Ω

Potenza attiva

Induttori e condensatori si limitano ad accumulare e restituire energia; il resistore assorbe tutta la potenza attiva.

I = 120/148,1 = 0,8102 A
P = I²·R = 0,8102²·40 = 26,26 W

Risposta

P = 26,26 W
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 4,928 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·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) = √(15² + (19,18)²) = 24,35 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 120/24,35 = 4,928 A

Risposta

I = 4,928 A
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 17,64 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 = 20·0,8819 = 17,64 kvar

Risposta

Q = 17,64 kvar
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: ΔP = 80,52 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 = 55·tan(arccos 0,65) = 64,3 kvar

Massima potenza attiva totale

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 64,3²) = 135,5 kW

Potenza attiva aggiuntiva

ΔP = 135,5 − 55 = 80,52 kW

Risposta

ΔP = 80,52 kW
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 2,2

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) = 1000000 rad/s

Fattore di qualità

Q = R/(ω₀L) = 2200/(1000000·0,001) = 2,2

Risposta

Q = 2,2

La larghezza di banda è 1/(2πRC) = 72,34 kHz.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: RD = 100 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 = 1 × 10⁻⁴/(1 × 10⁻⁹·1) = 100000 Ω = 100 kΩ

Verifica con Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 316,2, Q²·r = 100000 Ω

Risposta

RD = 100 kΩ
9.Sistemi trifase

Risposta: IL = 127,6 A

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 elettrica assorbita

Pin = Pout/η = 110/0,88 = 125 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 125000/(√3·690·0,82) = 127,6 A

Risposta

IL = 127,6 A
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 423,9 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 = 300·tan(acos 0,72) = 300·0,9639 = 289,2 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,98) = 300·0,2031 = 60,92 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 228,2 kvar

Capacità per fase

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

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 76079/(377·690²) = 423,9 µF

Risposta

Cph = 423,9 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: vL = 10,75 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 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 / 10 Ω = 15 ms
i(∞) = Vs/R = 15/10 = 1,5 A

Tensione sull’induttore

In t = 0 tutta la tensione di alimentazione è ai capi dell’induttore; poi decade a zero.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 15·e−5/15 = 10,75 V

Risposta

vL = 10,75 V
12.Transitori RC e RL

Risposta: t = 47,13 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 1 kΩ · 68 µF = 68 ms
vC(t) = 10 + (18 − 10)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

14 = 10 + (8)·e−t/τ → e−t/τ = (14 − 10)/(18 − 10) = 0,5
t = τ·ln((18 − 10)/(14 − 10)) = 68·ln(2) = 47,13 ms

Risposta

t = 47,13 ms
13.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 7,429 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​ = 2 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​5 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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 6 = 7,429 Ω
14.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 5,657 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​ = 25 ΩR3​ = 4 ΩCORTOR2​6 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 = 25·6/(25+6) = 4,839 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,839 + 4 = 8,839 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​6 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) = 5,806 + 5·4,839 = 30 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 30 + 5·4 = 50 V
IN​5,657 ARth​8,839 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 = 50/8,839 = 5,657 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |G(jω)| = 11,72 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(j20)| = 2600/(√(20² + 13²)·√(20² + 20²)) = 2600/(23,85·28,28) = 3,854

Risultato

20·log₁₀(3,854) = 11,72 dB

Risposta

|G(jω)| = 11,72 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: GM = 2,923 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/3)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(3·4) = 3,464 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 16)) = K/(3·4·(3 + 4)) = K/84

Margine di guadagno

GM = 20·log₁₀(84/60) = 2,923 dB

Risposta

GM = 2,923 dB

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