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

Scrivi z = 4 − j5 in forma esponenziale r·ejθ. Dai θ in radianti, tra −π e π.

z = 4 − j5
θ = rad
2.Numeri complessiDifficile
ReIm0,50,5−0,5−0,511−1−1θz

Trova la parte immaginaria di (−1 + j)⁵.

z = −1 + jn = 5
Im(z⁵) =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V60 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 22 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 = 30 ΩL = 250 mHC = 22 µF
P = W
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
5 Vf0​R = 20 ΩL = 20 mHC = 1 µF

Un circuito RLC serie è alimentato da un generatore da 5 V (efficaci) la cui frequenza è regolata sulla frequenza di risonanza del circuito. Trova la tensione efficace VL ai capi dell’induttore.

V = 5 V (rms)R = 20 ΩL = 20 mHC = 1 µF
VL = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 24 kWQ = ?Sφ

Un motore monofase assorbe 24 kW con un fattore di potenza di 0,6 induttivo da un’alimentazione da 240 V. Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

P = 24 kWpf = 0,6V = 240 V
Q = kvar
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 50 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,92. Trova la capacità C necessaria.

P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 1 mHC = 2,2 nF

In un circuito LC ideale con L = 1 mH e C = 2,2 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 = 1 mHC = 2,2 nF
t = µs
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
C = 470 nFr = 5 ΩL = 470 µH

Un circuito risonante parallelo è fatto di un condensatore da 470 nF e una bobina da 470 µH con resistenza dell’avvolgimento di 5 Ω. In risonanza si comporta come un resistore, la sua resistenza dinamica è RD = L/(C·r). Trova RD in kΩ.

L = 470 µHC = 470 nFr = 5 Ω
RD = kΩ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VZ = 12 + j5 Ωper fase

Un carico equilibrato a triangolo con un’impedenza di 12 + j5 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 415 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 415 VZ = 12 + j5 Ω per fase
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 50 kW con un fattore di potenza di 0,7 in ritardo da una rete a 400 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 = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​15 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 = 15 VR = 50 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​15 Vsi apre a t = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 3,3 kΩC22 µF+−vC​

L’interruttore è chiuso da molto tempo, quindi il circuito è a regime. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la tensione del condensatore vC in t = 75 ms.

Vs = 15 VR1 = 2,2 kΩR2 = 3,3 kΩC = 22 µFt = 75 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 30 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAIs​1,5 ABab

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

V1 = 10 VIs = 1,5 AR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 2

Trova il modulo esatto |G(jω)| di G(s) = 640/((s + 10)(s + 16)) a ω = 2 rad/s, in dB.

G(s) = 640/((s + 10)(s + 16))ω = 2 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) = K/(s(s + 4)(s + 10)). Trova il guadagno K che dà un margine di guadagno di 15 dB.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))GM = 15 dB
K =

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = −0,8961 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 = √(16 + 25) = 6,403

Argomento in radianti

θ = −51,34° = −51,34·π/180 = −0,8961 rad

Forma esponenziale

z = 6,403·e−j0,8961

Risposta

θ = −0,8961 rad
2.Numeri complessi

Risposta: Im(z⁵) = −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.

Potenze passo per passo

z² = (−1 + j)(−1 + j) = −j2
z³ = (−j2)(−1 + j) = 2 + j2
z⁴ = (2 + j2)(−1 + j) = −4
z⁵ = (−4)(−1 + j) = 4 − j4

Verifica con De Moivre

z = 1,414∠135° → z⁵ = 5,657∠−45°
Im(z⁵) = −4

Risposta

Im(z⁵) = −4
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: P = 188,3 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 = 120,6 Ω

Impedenza

|Z| = √(30² + (−26,32)²) = 39,91 Ω

Potenza attiva

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

I = 100/39,91 = 2,506 A
P = I²·R = 2,506²·30 = 188,3 W

Risposta

P = 188,3 W
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VL = 35,36 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|.

Risonanza

In risonanza le reattanze si annullano, quindi l’impedenza è semplicemente R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·1·10⁻⁶) = 7071 rad/s
I = V/R = 5/20 = 0,25 A

Tensione ai capi dell’induttore

XL = ω₀L = 7071·0,02 = 141,4 Ω
VL = I·XL = 0,25·141,4 = 35,36 V

Risposta

VL = 35,36 V

Questo è Q = 7,071 volte la tensione di alimentazione.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 32 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(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333

Potenza reattiva

Q = P·tan φ = 24·1,333 = 32 kvar

Risposta

Q = 32 kvar
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 453,5 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 = 50·tan(41,41°) = 44,1 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(23,07°) = 21,3 kvar
QC = Q1 − Q2 = 22,8 kvar

Capacità

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

C = QC/(2πf·V²) = 22796/(2π·50·400²) = 453,5 µF

Risposta

C = 453,5 µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: t = 2,33 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√(0,001·2,2 × 10⁻⁹) = 9,319 µs

Quarto di periodo

t = T/4 = 2,33 µs

Risposta

t = 2,33 µs
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: RD = 0,2 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 = 0,00047/(4,7 × 10⁻⁷·5) = 200 Ω = 0,2 kΩ

Verifica con Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 6,325, Q²·r = 200 Ω

Risposta

RD = 0,2 kΩ
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 36,69 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.

Tensione di fase

Vph = VL = 415 V

Corrente di fase

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
Iph = 415/13 = 31,92 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·31,92²·12 = 36,69 kW

Risposta

P = 36,69 kW

Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,9231, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.

10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 34,58 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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 34,58 kvar

Risposta

QC = 34,58 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,2691 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 = 15/50 = 0,3 A

Corrente all’istante dato

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,3·(1 − e−1/0,44) = 0,2691 A

Risposta

i = 0,2691 A
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 3,203 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.

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) = 15·3,3/(2,2 + 3,3) = 9 V

Costante di tempo dopo l’apertura dell’interruttore

τ = R2·C = 3,3·22 = 72,6 ms

Scarica

vC(t) = 9·e−75/72,6 = 3,203 V

Risposta

vC = 3,203 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 4,8 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​ = 3 ΩR3​ = 5 ΩCORTOR2​12 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 5 = 7,4 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​12 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) = 6·12/(3+12) = 4,8 V
14.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = −14,19 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​ = 30 ΩR3​ = 8 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 = 30·2/(30+2) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 8 = 9,875 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​2 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) = 0,625 + (−1,5)·1,875 = −2,188 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −2,188 + (−1,5)·8 = −14,19 V
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |G(jω)| = 11,8 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(j2)| = 640/(√(2² + 10²)·√(2² + 16²)) = 640/(10,2·16,12) = 3,892

Risultato

20·log₁₀(3,892) = 11,8 dB

Risposta

|G(jω)| = 11,8 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: K = 99,58

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/10) = 1 → ω180 = √(4·10) = 6,325 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 100)) = K/(4·10·(4 + 10)) = K/560

Guadagno richiesto

560/K = 1015/20 = 5,623
K = 560/5,623 = 99,58

Risposta

K = 99,58

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