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
ReIm55−5−5θz

Trova l’argomento θ di z = −7 − j7 in gradi, come valore principale compreso tra −180° e 180°.

z = −7 − j7
θ = °
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−2ABCD

Esattamente uno dei punti A–D è una radice di z³ = 8∠−90°. Cliccalo.

w = 8∠−90°n = 3
  1. 1A (2∠−90°)
  2. 2B (2∠120°)
  3. 3C (2∠90°)
  4. 4D (1∠90°)
3.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V50 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 4,7 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 50 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
I = A
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
50 V60 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 60 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
400 V111 kW, 0,85224 kW, 1I

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 400 V: un carico da 11 kW con fattore di potenza 0,85 induttivo e una stufa elettrica da 24 kW (fattore di potenza unitario). Trova il fattore di potenza complessivo cos φ visto dall’alimentazione.

V = 400 VP1 = 11 kW, pf1 = 0,85 in ritardoP2 = 24 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 45 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 60 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,9. Trova la nuova corrente di linea Inew.

P = 45 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
f|I|0,7071500 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuito RLC serie risuona a 500 kHz con Q = 3. Trova esattamente la frequenza di mezza potenza inferiore f1, in kHz.

f0 = 500 kHzQ = 3
f1 = kHz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
C = 47 nFR = 20 ΩL = 22 mH

Un condensatore carico da 47 nF si scarica attraverso una bobina da 22 mH con resistenza serie totale di 20 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 = 22 mHC = 47 nFR = 20 Ω
n =
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M110 kW, η = 95%cos φ = 0,85

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 110 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 415 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 110 kWη = 95%cos φ = 0,85VL = 415 V
IL = A
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 120 kW con un fattore di potenza di 0,65 in ritardo da una rete a 415 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 = 120 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​10 Vt = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 10 kΩC33 µF+−vC​

Il generatore Vₛ carica il condensatore attraverso R₁, e R₂ è collegato in parallelo a C. Il condensatore è scarico quando l’interruttore si chiude in t = 0. Trova la tensione del condensatore vC in t = 50 ms.

Vs = 10 VR1 = 3,3 kΩR2 = 10 kΩC = 33 µFt = 50 ms
vC = V
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​9 Vt = 0R = ?C22 µF+−vC​

Un temporizzatore inizia a caricare un condensatore scarico attraverso un resistore da un’alimentazione di 9 V a t = 0. Deve scattare quando la tensione del condensatore raggiunge 5,69 V, esattamente 100 ms dopo l’avvio. Con C = 22 µF, trova la resistenza R necessaria.

Vs = 9 VVth = 5,69 VT = 100 msC = 22 µF
R = kΩ
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAIs​4 ABRL​25 ΩIL​

Un carico RL = 25 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 = 5 VIs = 4 AR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩRL = 25 Ω
IL = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,10,1111010100100−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 2

Trova la fase ∠G(jω) di G(s) = 10(s + 2)/(s(s + 5)) a ω = 2 rad/s, in gradi.

G(s) = 10(s + 2)/(s(s + 5))ω = 2 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) = 56/(s(s + 4)(s + 5)). Trova il margine di guadagno GM in dB.

L(s) = 56/(s(s + 4)(s + 5))
GM = dB

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = −135 °

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 = −7, b = −7 → III

Angolo di riferimento

α = atan(7/7) = 45°

Argomento

θ = −(180° − α) = −135°

Risposta

θ = −135°

In forma polare z = 9,899∠−135°.

2.Numeri complessi

Risposta: C (2∠90°)

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| = 2
θ = −30°, 90°, −150°

Il punto

C = 2∠90°

Risposta

C (2∠90°)
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,1854 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,1 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·4,7·10⁻⁶) = 677,3 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−645,8)²) = 647,1 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 120/647,1 = 0,1854 A

Risposta

I = 0,1854 A
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,2014 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,05 = 18,85 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (−246,4)²) = 248,2 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 50/248,2 = 0,2014 A

Risposta

I = 0,2014 A
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,9816

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 = 11·tan(arccos 0,85) = 6,817 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totali

P = 11 + 24 = 35 kW
Q = 6,817 + 0 = 6,817 kvar
S = √(35² + 6,817²) = 35,66 kVA

Fattore di potenza complessivo

cos φ = P/S = 35/35,66 = 0,9816 in ritardo

Risposta

cos φ = 0,9816
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Inew = 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.

Potenza reattiva prima e dopo

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

Q1 = P·tan φ1 = 45·tan(41,41°) = 39,69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(25,84°) = 21,79 kvar
QC = Q1 − Q2 = 17,89 kvar

Nuova corrente di linea

Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(240·0,9) = 208,3 A

Risposta

Inew = 208,3 A
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: f1 = 423,6 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 = 500000·(1,014 − 0,1667) = 423564 Hz = 423,6 kHz

Risposta

f1 = 423,6 kHz

Quella superiore è f₂ = 590,2 kHz; verifica: f₂ − f₁ = 166,7 kHz = f₀/Q.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: n = 7,548

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 = 2·0,022·ln 2/20 = 0,001525 s

Numero di cicli

n = t·f0 = 0,001525·4949 = 7,548

Risposta

n = 7,548

Scorciatoia: n = Q·ln 2/π con Q = 34,21.

9.Sistemi trifase

Risposta: IL = 189,5 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 = 110/0,95 = 115,8 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 115789/(√3·415·0,85) = 189,5 A

Risposta

IL = 189,5 A
10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 100,9 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 = 120·tan(acos 0,65) = 120·1,169 = 140,3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,95) = 120·0,3287 = 39,44 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 100,9 kvar

Risposta

QC = 100,9 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 3,436 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.

Equivalente di Thévenin visto dal condensatore

Cortocircuita il generatore per trovare Rth; apri il condensatore per trovare la tensione a cui si stabilizzerà.

Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·10/(3,3 + 10) = 2,481 kΩ
vC(∞) = 10·10/(3,3 + 10) = 7,519 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 2,481·33 = 81,88 ms

Curva di carica

vC(t) = 7,519·(1 − e−50/81,88) = 3,436 V

Risposta

vC = 3,436 V
12.Transitori RC e RL

Risposta: R = 4,544 kΩ

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 richiesta

5,69 = 9·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(9/(9 − 5,69))
τ = 100/1 = 99,97 ms

Resistenza

kΩ per µF dà millisecondi.

R = τ/C = 99,97/22 = 4,544 kΩ

Risposta

R = 4,544 kΩ
13.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 2,571 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​ = 15 ΩCORTOR2​2 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 = 5·2/(5+2) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 15 = 16,43 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​2 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) = 9·2/(5+2) = 2,571 V
14.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,9531 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​2 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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1 + 6 = 7 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​2 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) = 2,5 + 4·1 = 6,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6,5 + 4·6 = 30,5 V
Rth​ = 7 Ω+−Vth​30,5 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) = 30,5/(7 + 25) = 0,9531 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ∠G(jω) = −66,8 °

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(2/2) − 90° − atan(2/5) = 45° − 90° − 21,8°

Risultato

∠G(j2) = −66,8°

Risposta

∠G(jω) = −66,8°
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: GM = 10,14 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/5) = 1 → ω180 = √(4·5) = 4,472 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 25)) = K/(4·5·(4 + 5)) = K/180

Margine di guadagno

GM = 20·log₁₀(180/56) = 10,14 dB

Risposta

GM = 10,14 dB

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