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
ReIm0,50,5−0,5−0,511−1−11,51,5−1,5−1,5z₁z₂w

Dati z₁ = 1,5∠70° e z₂ = 0,5∠−95°, trova la parte reale di w = z₁·z₂.

z₁ = 1,5∠70°z₂ = 0,5∠−95°
Re(w) =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Risolvi z² + 8z + 32 = 0. Le radici sono a ± jb; trova la parte reale a.

p = 8q = 32
a =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V500 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 10 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 500 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 10 µF
I = A
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
230 V500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 10 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 500 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 10 µF
VC = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 25 kWQ = ?Sφ

Un motore monofase assorbe 25 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 400 V. Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

P = 25 kWpf = 0,65V = 400 V
Q = kvar
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
24 V60 HzRs​ = 20 ΩXs​ = j40 ΩZL​ = ?

Un generatore da 24 V (efficaci), 60 Hz ha un’impedenza interna Zs = 20 + j40 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.

Vs = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 20 + j40 Ω
Pmax = W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V1 kΩ1 mH10 nF

Un circuito RLC parallelo ha R = 1 kΩ, L = 1 mH e C = 10 nF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 1 kΩL = 1 mHC = 10 nF
Q =
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
V5 ΩLC = ?

Progetta un filtro RLC serie con una resistenza totale di 5 Ω, una frequenza di risonanza di 455 kHz e una larghezza di banda di 9,1 kHz. Trova la capacità C in nF.

R = 5 Ωf0 = 455 kHzBW = 9,1 kHz
C = nF
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = 150 Acos φ = 0,75in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 150 A da una rete con una tensione concatenata di 690 V. Il fattore di potenza è 0,75 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 690 VIL = 150 Acos φ = 0,75
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 80 kW con un fattore di potenza di 0,75 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 0,95 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
R = 50 Ωt = 0L68 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 2,5 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) = 2,5 AR = 50 ΩL = 68 mHt = 1 ms
vR = V
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​20 Vsi apre a t = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 4,7 kΩi2​C100 µF+−vC​

L’interruttore è chiuso da molto tempo, quindi il circuito è a regime. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la corrente i2 in R2 a t = 200 ms.

Vs = 20 VR1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩC = 100 µFt = 200 ms
i2 = mA
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAIs​1 ABRL​25 ΩIL​

Un carico RL = 25 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 15 ΩR2 = 30 ΩR3 = 25 ΩRL = 25 Ω
PL = W
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,010,11101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 0,5

Trova il modulo esatto |G(jω)| di G(s) = 3060/((s + 17)(s + 18)) a ω = 0,5 rad/s, in dB.

G(s) = 3060/((s + 17)(s + 18))ω = 0,5 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) = 46/(s(s + 1)(s + 9)). Trova il margine di guadagno GM in dB.

L(s) = 46/(s(s + 1)(s + 9))
GM = dB

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: Re(w) = 0,6797

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 e argomento di w

|w| = 1,5 · 0,5 = 0,75
θ = 70° + (−95)° = −25°

Forma cartesiana

Re(w) = 0,75·cos(−25°) = 0,6797
Im(w) = 0,75·sin(−25°) = −0,317
Re(w) = 0,6797

Risposta

Re(w) = 0,6797
2.Numeri complessi

Risposta: a = −4

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 = 64 − 128 = −64 < 0

Formula risolutiva

z = (−8 ± j√64)/2 = −4 + j4, −4 − j4

Risposta

a = −4

Risposta

a = −4
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,4089 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,1 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (282,3)²) = 293,4 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 120/293,4 = 0,4089 A

Risposta

I = 0,4089 A
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 144,7 V

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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (31)²) = 50,61 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 230/50,61 = 4,545 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 4,545·31,83 = 144,7 V

Risposta

VC = 144,7 V
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 29,23 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(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Potenza reattiva

Q = P·tan φ = 25·1,169 = 29,23 kvar

Risposta

Q = 29,23 kvar
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Pmax = 7,2 W

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.

Adattamento coniugato

La reattanza del carico annulla la reattanza del generatore, e la resistenza del carico è uguale alla resistenza del generatore.

ZL = Zs* = 20 − j40 Ω

Potenza massima

I = Vs/(2Rs) = 24/40 = 0,6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·20) = 7,2 W

Risposta

Pmax = 7,2 W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 3,162

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) = 316228 rad/s

Fattore di qualità

Q = R/(ω₀L) = 1000/(316228·0,001) = 3,162

Risposta

Q = 3,162

La larghezza di banda è 1/(2πRC) = 15,92 kHz.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: C = 1,399 nF

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).

Induttanza dalla larghezza di banda

L = R/(2π·BW) = 5/(2π·9100) = 8,745 × 10⁻⁵ H

Capacità dalla frequenza di risonanza

C = 1/((2π·455000)²·8,745 × 10⁻⁵) = 1,399 × 10⁻⁹ F = 1,399 nF

Risposta

C = 1,399 nF

Q = f₀/BW = 50.

9.Sistemi trifase

Risposta: P = 134,5 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.

Potenza apparente

S = √3·VL·IL = √3·690·150 = 179,3 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 179,3·0,75 = 134,5 kW

Risposta

P = 134,5 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 44,26 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 = 80·tan(acos 0,75) = 80·0,8819 = 70,55 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,95) = 80·0,3287 = 26,29 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 44,26 kvar

Risposta

QC = 44,26 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: vR = 59,92 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 = 68 mH / 50 Ω = 1,36 ms

Decadimento della corrente

i(t) = 2,5·e−1/1,36 = 1,198 A
vR = R·i = 50·1,198 = 59,92 V

Risposta

vR = 59,92 V
12.Transitori RC e RL

Risposta: i2 = 2,293 mA

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) = 20·4,7/(1 + 4,7) = 16,49 V

Costante di tempo dopo l’apertura dell’interruttore

τ = R2·C = 4,7·100 = 470 ms

Scarica

vC(t) = 16,49·e−200/470 = 10,78 V
i2 = vC/R2 = 10,78/4,7 = 2,293 mA

Risposta

i2 = 2,293 mA
13.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 5,333 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​ = 5 ΩR3​ = 2 ΩCORTOR2​10 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 2 = 5,333 Ω
14.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 14,06 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​ = 15 ΩR3​ = 25 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 = 15·30/(15+30) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 25 = 35 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAIs​1 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) = 10 + 1·10 = 20 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 20 + 1·25 = 45 V
Rth​ = 35 Ω+−Vth​45 VRL​25 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) = 45/(35 + 25) = 0,75 A
PL = IL²·RL = 0,75²·25 = 14,06 W
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |G(jω)| = 19,99 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(j0,5)| = 3060/(√(0,5² + 17²)·√(0,5² + 18²)) = 3060/(17,01·18,01) = 9,992

Risultato

20·log₁₀(9,992) = 19,99 dB

Risposta

|G(jω)| = 19,99 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: GM = 5,83 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/9) = 1 → ω180 = √(1·9) = 3 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 81)) = K/(1·9·(1 + 9)) = K/90

Margine di guadagno

GM = 20·log₁₀(90/46) = 5,83 dB

Risposta

GM = 5,83 dB

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