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
ReIm11−1−122−2−233−3−3θz

Scrivi z = 4∠140° in forma cartesiana a + jb e dai la parte reale a.

r = 4θ = 140°
a =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−233−3−3ABCD

Esattamente uno dei punti A–D è una radice di z⁴ = 81∠180°. Cliccalo.

w = 81∠180°n = 4
  1. 1A (3∠180°)
  2. 2B (3∠45°)
  3. 3C (3∠90°)
  4. 4D (1,5∠45°)
3.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V100 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 100 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
φ = °
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
120 V100 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 40 ΩC = 47 µF

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 100 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR1 = 20 ΩR2 = 40 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
230 VZ3 + j4 ΩI

Un carico con impedenza Z = 3 + j4 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 230 V (efficaci). Trova la potenza apparente S.

V = 230 VZ = 3 + j4 Ω
S = VA
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 0,65 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 60 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,98. Trova la capacità C necessaria.

P = 10 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98V = 400 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
f|I|0,70715 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuito RLC serie risuona a 5 kHz con Q = 3. Trova esattamente la frequenza di mezza potenza inferiore f1, in kHz.

f0 = 5 kHzQ = 3
f1 = kHz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
VR = ?1 mHC

Un circuito risonante serie usa un induttore da 1 mH. Quale resistenza serie totale R dà una larghezza di banda di 5 kHz?

L = 1 mHBW = 5 kHz
R = Ω
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M55 kW, η = 91%cos φ = 0,88

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 55 kW. A questo carico il suo rendimento è del 91% e il suo fattore di potenza è 0,88 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 690 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 55 kWη = 91%cos φ = 0,88VL = 690 V
IL = A
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 50 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,95 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 = 0,95VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​6 Vt = 0R = 15 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 = 5 ms, in mJ.

Vs = 6 VR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
W = mJ
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​6 Vt = 0R = 6,8 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 15 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 120 ms.

Vs = 6 VR = 6,8 kΩC = 10 µFvC(0) = 15 Vt = 120 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 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 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩRL = 12 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​4 ΩAIs​1,5 ABab

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

V1 = 36 VIs = 1,5 AR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 4

Trova la fase ∠G(jω) di G(s) = 23(s + 16)/(s(s + 18)) a ω = 4 rad/s, in gradi.

G(s) = 23(s + 16)/(s(s + 18))ω = 4 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 242/(s(s + 4)(s + 8)). Trova il margine di guadagno GM in dB.

L(s) = 242/(s(s + 4)(s + 8))
GM = dB

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: a = −3,064

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 = 4·cos(140°) = −3,064
b = 4·sin(140°) = 2,571

Forma cartesiana

z = −3,064 + j2,571
a = −3,064

Risposta

a = −3,064
2.Numeri complessi

Risposta: B (3∠45°)

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 e argomenti delle radici

|z| = 3
θ = 45°, 135°, −135°, −45°

Il punto

B = 3∠45°

Risposta

B (3∠45°)
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −76,21 °

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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,15 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·4,7·10⁻⁶) = 338,6 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−244,4)²) = 251,6 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−244,4/60) = −76,21°

Risposta

φ = −76,21°
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 41,66 Ω

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|.

Reattanza

XC = 1/(2π·100·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Combinazione in parallelo

Moltiplica numeratore e denominatore per il complesso coniugato per separare Zp in parte reale e parte immaginaria.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 16,7 − j19,73 Ω

Impedenza totale

Z = 20 + 16,7 − j19,73 = 36,7 − j19,73 Ω
|Z| = √(36,7² + 19,73²) = 41,66 Ω

Risposta

|Z| = 41,66 Ω
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: S = 10580 VA

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

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 230/5 = 46 A

Potenza apparente

S = V·I = 230·46 = 10580 VA

Risposta

S = 10580 VA
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 160,2 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 = 10·tan(49,46°) = 11,69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(11,48°) = 2,031 kvar
QC = Q1 − Q2 = 9,661 kvar

Capacità

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

C = QC/(2πf·V²) = 9661/(2π·60·400²) = 160,2 µF

Risposta

C = 160,2 µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: f1 = 4,236 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/(4·3²)) = 1,014

Frequenza di mezza potenza inferiore

f1 = 5000·(1,014 − 0,1667) = 4236 Hz = 4,236 kHz

Risposta

f1 = 4,236 kHz

Quella superiore è f₂ = 5,902 kHz; verifica: f₂ − f₁ = 1,667 kHz = f₀/Q.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: R = 31,42 Ω

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 serie

BW = R/(2πL)

Resistenza

R = 2π·0,001·5000 = 31,42 Ω

Risposta

R = 31,42 Ω
9.Sistemi trifase

Risposta: IL = 57,47 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 = 55/0,91 = 60,44 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 60440/(√3·690·0,88) = 57,47 A

Risposta

IL = 57,47 A
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 660,4 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 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 33,19 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·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 11065/(314,2·230,9²) = 660,4 µF

Risposta

Cph = 660,4 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: W = 2,39 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 / 15 Ω = 3,133 ms
i(∞) = Vs/R = 6/15 = 0,4 A

Corrente all’istante dato

i(t) = 0,4·(1 − e−5/3,133) = 0,3189 A

Energia immagazzinata

W = ½·L·i² = ½·47·0,3189² = 2,39 mJ

Risposta

W = 2,39 mJ
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 7,541 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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 10 µF = 68 ms
vC(t) = 6 + (15 − 6)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(120) = 6 + (9)·e−120/68 = 7,541 V

Risposta

vC = 7,541 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,1333 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​ = 15 ΩR3​ = 3 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 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 3 = 7,286 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 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) = 9·6/(15+6) = 2,571 V
Rth​ = 7,286 Ω+−Vth​2,571 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) = 2,571/(7,286 + 12) = 0,1333 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 20 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​ = 20 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​4 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 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 6 = 9,333 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​4 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) = 6 + 1,5·3,333 = 11 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11 + 1,5·6 = 20 V
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ∠G(jω) = −88,49 °

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.

Somma gli angoli

∠G = atan(4/16) − 90° − atan(4/18) = 14,04° − 90° − 12,53°

Risultato

∠G(j4) = −88,49°

Risposta

∠G(jω) = −88,49°
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: GM = 4,01 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/4)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(4·8) = 5,657 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 64)) = K/(4·8·(4 + 8)) = K/384

Margine di guadagno

GM = 20·log₁₀(384/242) = 4,01 dB

Risposta

GM = 4,01 dB

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