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

Trova l’argomento θ di z = 5 − j2 in gradi, come valore principale compreso tra −180° e 180°.

z = 5 − j2
θ = °
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−2θz

Usa il teorema di De Moivre per trovare la parte reale di z⁵ per z = 1 + j√3.

z = 1 + j√3n = 5
Re(z⁵) =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V60 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 4,7 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 60 Hz. Trova la potenza attiva P assorbita dall’alimentazione.

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 4,7 µF
P = W
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 100 ΩL = 200 mHC = 0,01 µF

Un circuito RLC serie ha R = 100 Ω, L = 200 mH e C = 0,01 µF. Trova il suo fattore di qualità Q in risonanza.

R = 100 ΩL = 200 mHC = 0,01 µF
Q =
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 40 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 40 kW con un fattore di potenza di 0,8 induttivo da un’alimentazione da 240 V. Trova la corrente di linea I.

P = 40 kWpf = 0,8V = 240 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 10 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,95. Trova la potenza reattiva QC che il condensatore deve fornire.

P = 10 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 470 µHC = 470 nF

In un circuito LC ideale con L = 470 µH e C = 470 nF, il condensatore è completamente carico a t = 0. Quanto tempo passa prima che tutta l’energia sia nell’induttore? Dai t in µs.

L = 470 µHC = 470 nF
t = µs
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
C = 2,2 µFR = 1 ΩL = 2,2 mH

Un condensatore carico da 2,2 µF si scarica attraverso una bobina da 2,2 mH con resistenza serie totale di 1 Ω, quindi l’oscillazione si smorza lentamente. La sua ampiezza decade come e−Rt/(2L). Quanti cicli di oscillazione n passano prima che l’ampiezza si sia dimezzata? (Le perdite sono piccole, quindi la frequenza è f₀.)

L = 2,2 mHC = 2,2 µFR = 1 Ω
n =
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M7,5 kW, η = 95%cos φ = 0,85

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 7,5 kW. A questo carico il suo rendimento è del 95% e il suo fattore di potenza è 0,85 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 400 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 7,5 kWη = 95%cos φ = 0,85VL = 400 V
IL = A
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 75 kW con un fattore di potenza di 0,65 in ritardo da una rete a 690 V (tensione concatenata) e 50 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,92 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 75 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​6 Vt = 0R = 50 ΩL22 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova la corrente i in t = 1 ms.

Vs = 6 VR = 50 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​10 Vt = 0R = 4,7 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 8 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 8,8 V? Trova t.

Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 10 µFvC(0) = 8 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​10 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 36 VIs = 4 AR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​L = 1 mHC = 0,47 µFR = 20 Ωvout​

Nel filtro passa-banda RLC serie mostrato l’uscita è prelevata ai capi di R = 20 Ω, con L = 1 mH e C = 0,47 µF. Trova la larghezza di banda a −3 dB BW in Hz.

R = 20 ΩL = 1 mHC = 0,47 µF
BW = 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) = 82/(s(s + 5)(s + 6)). Trova il margine di guadagno GM in dB.

L(s) = 82/(s(s + 5)(s + 6))
GM = dB

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = −21,8 °

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.

Quadrante

a = 5, b = −2 → IV

Angolo di riferimento

α = atan(2/5) = 21,8°

Argomento

θ = −α = −21,8°

Risposta

θ = −21,8°

In forma polare z = 5,385∠−21,8°.

2.Numeri complessi

Risposta: Re(z⁵) = 16

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 = 1 + j√3 = 2∠60°

De Moivre

z⁵ = (2)⁵∠300° = 32∠−60°

Forma cartesiana

z⁵ = 32·(cos −60° + j sin −60°) = 16 − j27,71
Re(z⁵) = 16

Risposta

Re(z⁵) = 16
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: P = 2,237 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 = 94,25 Ω, XC = 564,4 Ω

Impedenza

|Z| = √(50² + (−470,1)²) = 472,8 Ω

Potenza attiva

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

I = 100/472,8 = 0,2115 A
P = I²·R = 0,2115²·50 = 2,237 W

Risposta

P = 2,237 W
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: Q = 44,72

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·√(0,2·0,01·10⁻⁶)) = 3559 Hz

Fattore di qualità

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/100)·√(0,2/(0,01·10⁻⁶)) = 44,72

Risposta

Q = 44,72
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 208,3 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.

Corrente di linea

Solo la parte attiva della potenza compie lavoro, quindi dividi per il fattore di potenza.

I = P/(V·cos φ) = 40000/(240·0,8) = 208,3 A

Risposta

I = 208,3 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: QC = 6,915 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.

Potenza reattiva prima e dopo

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

Q1 = P·tan φ1 = 10·tan(45,57°) = 10,2 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(18,19°) = 3,287 kvar
QC = Q1 − Q2 = 6,915 kvar

Risposta

QC = 6,915 kvar
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: t = 23,35 µs

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.

Periodo

T = 2π√(0,00047·4,7 × 10⁻⁷) = 93,39 µs

Quarto di periodo

t = T/4 = 23,35 µs

Risposta

t = 23,35 µs
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: n = 6,977

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).

Tempo di dimezzamento dell’ampiezza

t = 2·0,0022·ln 2/1 = 0,00305 s

Numero di cicli

n = t·f0 = 0,00305·2288 = 6,977

Risposta

n = 6,977

Scorciatoia: n = Q·ln 2/π con Q = 31,62.

9.Sistemi trifase

Risposta: IL = 13,41 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 = 7,5/0,95 = 7,895 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 7895/(√3·400·0,85) = 13,41 A

Risposta

IL = 13,41 A
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 124,2 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 = 75·tan(acos 0,65) = 75·1,169 = 87,68 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 55,73 kvar

Capacità per fase

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

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 18578/(314,2·690²) = 124,2 µF

Risposta

Cph = 124,2 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,1076 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 = 22 mH / 50 Ω = 0,44 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0,12 A

Corrente all’istante dato

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,12·(1 − e−1/0,44) = 0,1076 A

Risposta

i = 0,1076 A
12.Transitori RC e RL

Risposta: t = 24,01 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 10 µF = 47 ms
vC(t) = 10 + (8 − 10)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

8,8 = 10 + (−2)·e−t/τ → e−t/τ = (8,8 − 10)/(8 − 10) = 0,6
t = τ·ln((8 − 10)/(8,8 − 10)) = 47·ln(1,667) = 24,01 ms

Risposta

t = 24,01 ms
13.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 0,4444 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​ = 20 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 20 = 21,6 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 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/(2+8) = 9,6 V
IN​0,4444 ARth​21,6 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 = 9,6/21,6 = 0,4444 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 137,3 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​ = 5 ΩR3​ = 25 ΩCORTOR2​10 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 25 = 28,33 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​10 ΩAIs​4 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) = 24 + 4·3,333 = 37,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 37,33 + 4·25 = 137,3 V
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: BW = 3183 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/√(0,001·4,7 × 10⁻⁷) = 46127 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7341 Hz

Larghezza di banda

BW = R/L = 20/0,001 = 20000 rad/s = 3183 Hz

Risposta

BW = 3183 Hz
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: GM = 12,09 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/5)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(5·6) = 5,477 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 36)) = K/(5·6·(5 + 6)) = K/330

Margine di guadagno

GM = 20·log₁₀(330/82) = 12,09 dB

Risposta

GM = 12,09 dB

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