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
ReIm55−5−51010−10−10θz

Scrivi z = −9 − j2 in forma esponenziale r·ejθ. Dai θ in radianti, tra −π e π.

z = −9 − j2
θ = rad
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Risolvi z² + 4z + 20 = 0. Le radici sono a ± jb; trova la parte reale a.

p = 4q = 20
a =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V500 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 1 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 = 30 ΩL = 150 mHC = 1 µF
I = A
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
100 V100 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 100 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 100 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 100 µF
VC = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
400 V129 kW, 0,828 kW, 1I = ?

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 400 V: un carico da 29 kW con fattore di potenza 0,8 induttivo e una stufa elettrica da 8 kW (fattore di potenza unitario). Trova la corrente totale I assorbita dall’alimentazione.

V = 400 VP1 = 29 kW, pf1 = 0,8 in ritardoP2 = 8 kW, pf2 = 1
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
230 V60 Hzcarico28 kW, 0,8C330 µFI = ?

Un carico monofase assorbe 28 kW con un fattore di potenza di 0,8 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 60 Hz. Un condensatore da 330 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova la nuova corrente di linea I.

P = 28 kWpf1 = 0,8V = 230 Vf = 60 HzC = 330 µF
I = A
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
C = 100 pF+−6 VL = 1 mHiL​

Un condensatore da 100 pF caricato a 24 V oscilla con un induttore ideale da 1 mH. Trova l’energia WL immagazzinata nell’induttore nell’istante in cui la tensione sul condensatore è 6 V, in nJ.

C = 100 pFV0 = 24 VvC = 6 V
WL = nJ
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
f|I|0,7071f0​ = ?50 kHz75 kHzBW

Le frequenze di mezza potenza di una curva di risonanza sono 50 kHz e 75 kHz. Trova la frequenza di risonanza come loro media geometrica, e poi il fattore di qualità Q.

f1 = 50 kHzf2 = 75 kHz
Q =
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 400 VIL​ = 80 Acos φ = 0,95in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 80 A da una rete con una tensione concatenata di 400 V. Il fattore di potenza è 0,95 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 400 VIL = 80 Acos φ = 0,95
P = kW
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 60 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 = 60 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​6 Vt = 0R = 100 ΩL33 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Quanto tempo dopo la chiusura dell’interruttore la corrente raggiunge il 50% del suo valore finale? Trova t.

Vs = 6 VR = 100 ΩL = 33 mH
t = ms
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​9 Vt = 0R = 22 kΩC?+−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 7,2 V, esattamente 10 ms dopo l’avvio. Con R = 22 kΩ, trova la capacità C necessaria.

Vs = 9 VVth = 7,2 VT = 10 msR = 22 kΩ
C = µF
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAIs​6 ABab

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

V1 = 6 VIs = 6 AR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 1

Trova il modulo esatto |G(jω)| di G(s) = 2574/((s + 11)(s + 18)) a ω = 1 rad/s, in dB.

G(s) = 2574/((s + 11)(s + 18))ω = 1 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) = 210/(s(s + 5)(s + 7)). Trova il margine di guadagno GM in dB.

L(s) = 210/(s(s + 5)(s + 7))
GM = dB

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = −2,923 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 = √(81 + 4) = 9,22

Argomento in radianti

θ = −167,5° = −167,5·π/180 = −2,923 rad

Forma esponenziale

z = 9,22·e−j2,923

Risposta

θ = −2,923 rad
2.Numeri complessi

Risposta: a = −2

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 = 16 − 80 = −64 < 0

Formula risolutiva

z = (−4 ± j√64)/2 = −2 + j4, −2 − j4

Risposta

a = −2

Risposta

a = −2
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,77 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 = 3142·0,15 = 471,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·1·10⁻⁶) = 318,3 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (152,9)²) = 155,8 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 120/155,8 = 0,77 A

Risposta

I = 0,77 A
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 86,28 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (15,5)²) = 18,45 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 100/18,45 = 5,421 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 5,421·15,92 = 86,28 V

Risposta

VC = 86,28 V
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 107,3 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 di ciascun carico

Un carico induttivo assorbe potenza reattiva (Q > 0); un carico capacitivo la fornisce (Q < 0).

Q1 = 29·tan(arccos 0,8) = 21,75 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totali

P = 29 + 8 = 37 kW
Q = 21,75 + 0 = 21,75 kvar
S = √(37² + 21,75²) = 42,92 kVA

Corrente totale

I = S/V = 42919/400 = 107,3 A

Risposta

I = 107,3 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 136,9 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 = 28·tan(arccos 0,8) = 21 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·330·10⁻⁶ = 6581 var = 6,581 kvar
Q2 = 21 − 6,581 = 14,42 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(28² + 14,42²) = 31,49 kVA

Nuova corrente di linea

I = S2/V = 31495/230 = 136,9 A

Risposta

I = 136,9 A
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: WL = 27 nJ

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.

Energia totale

½·1 × 10⁻¹⁰·24² = 2,88 × 10⁻⁸ J

Energia rimasta nel condensatore

½·1 × 10⁻¹⁰·6² = 1,8 × 10⁻⁹ J

Energia nell’induttore

WL = 2,7 × 10⁻⁸ J = 27 nJ

Risposta

WL = 27 nJ
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 2,449

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

f0 = √(50000·75000) = 61237 Hz

Larghezza di banda

BW = 75000 − 50000 = 25000 Hz

Fattore di qualità

Q = 61237/25000 = 2,449

Risposta

Q = 2,449
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 52,65 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 = √3·400·80 = 55,43 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 55,43·0,95 = 52,65 kW

Risposta

P = 52,65 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 151,2 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 = 60·tan(acos 0,75) = 60·0,8819 = 52,92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,92) = 60·0,426 = 25,56 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 27,36 kvar

Capacità per fase

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

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9118/(377·400²) = 151,2 µF

Risposta

Cph = 151,2 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: t = 0,2287 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.

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 = 33 mH / 100 Ω = 0,33 ms
i(∞) = Vs/R = 6/100 = 0,06 A

Risolvi per il tempo

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −0,33·ln(0,5) = 0,2287 ms

Risposta

t = 0,2287 ms
12.Transitori RC e RL

Risposta: C = 0,2824 µF

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

7,2 = 9·(1 − e−10/τ) → τ = 10/ln(9/(9 − 7,2))
τ = 10/1,609 = 6,213 ms

Capacità

kΩ per µF dà millisecondi.

C = τ/R = 6,213/22 = 0,2824 µF

Risposta

C = 0,2824 µF
13.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 6,308 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​ = 3 ΩR3​ = 4 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 4 = 6,308 Ω
14.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 48 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​ = 10 ΩR3​ = 2 ΩCORTOR2​12 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 = 10·12/(10+12) = 5,455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,455 + 2 = 7,455 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAIs​6 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) = 3,273 + 6·5,455 = 36 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 36 + 6·2 = 48 V
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |G(jω)| = 22,23 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(j1)| = 2574/(√(1² + 11²)·√(1² + 18²)) = 2574/(11,05·18,03) = 12,93

Risultato

20·log₁₀(12,93) = 22,23 dB

Risposta

|G(jω)| = 22,23 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: GM = 6,021 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/7) = 1 → ω180 = √(5·7) = 5,916 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 49)) = K/(5·7·(5 + 7)) = K/420

Margine di guadagno

GM = 20·log₁₀(420/210) = 6,021 dB

Risposta

GM = 6,021 dB

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