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 + j8 in gradi, come valore principale compreso tra −180° e 180°.

z = −7 + j8
θ = °
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂

Le radici di zⁿ = w con n = 3 e w = 27∠90° sono zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2. Trova la parte immaginaria di z₂.

w = 27∠90°n = 3k = 2
Im(z₂) =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
24 V60 HzR = 80 ΩC = 47 µFI

Un resistore e un condensatore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 60 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
5 Vf0​R = 10 ΩL = 200 mHC = 2,2 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 = 10 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
VL = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 24 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 24 kW con un fattore di potenza di 0,85 induttivo da un’alimentazione da 400 V. Trova la corrente di linea I.

P = 24 kWpf = 0,85V = 400 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
230 V50 Hzcarico2 kW, 0,8C68 µFI

Un carico monofase assorbe 2 kW con un fattore di potenza di 0,8 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 50 Hz. Un condensatore da 68 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova il nuovo fattore di potenza cos φ visto dall’alimentazione.

P = 2 kWpf1 = 0,8V = 230 Vf = 50 HzC = 68 µF
cos φ =
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
f|I|0,70711 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuito RLC serie risuona a 1 kHz con Q = 4. Trova esattamente la frequenza di mezza potenza inferiore f1, in Hz.

f0 = 1 kHzQ = 4
f1 = Hz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
C = 220 nFR = 10 ΩL = 2,2 mH

Un condensatore carico da 220 nF si scarica attraverso una bobina da 2,2 mH con resistenza serie totale di 10 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 = 2,2 mHC = 220 nFR = 10 Ω
n =
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VNZ = 3 + j4 Ωper fase

Un carico equilibrato a stella con un’impedenza di 3 + j4 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 = 3 + j4 Ω per fase
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 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. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R = 20 ΩL47 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W(∞) immagazzinata nell’induttore una volta che il circuito si è stabilizzato, in mJ.

Vs = 20 VR = 20 ΩL = 47 mH
W(∞) = mJ
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​9 VR1​ = 10 ΩR2​ = 15 Ωsi apre a t = 0L68 mHi(t)

L’interruttore in parallelo a R2 è chiuso da molto tempo, quindi la corrente dell’induttore è stazionaria. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la corrente dell’induttore i a t = 5 ms.

Vs = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩL = 68 mHt = 5 ms
i = A
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩARL​2 ΩIL​B

Un carico RL = 2 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 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩRL = 2 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAIs​1,5 ABab

Trova la corrente di Norton IN: la corrente che scorre da a a b se i morsetti sono cortocircuitati.

V1 = 5 VIs = 1,5 AR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 15

Trova la fase ∠G(jω) di G(s) = 4(s + 7)/(s(s + 5)) a ω = 15 rad/s, in gradi.

G(s) = 4(s + 7)/(s(s + 5))ω = 15 rad/s
∠G(jω) = °
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Un anello a retroazione unitaria ha la funzione di trasferimento ad anello aperto L(s) = 4000/(s(s + 20)). Trova il margine di fase PM in gradi.

L(s) = 4000/(s(s + 20))
PM = °

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = 131,2 °

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 = 8 → II

Angolo di riferimento

α = atan(8/7) = 48,81°

Argomento

θ = 180° − α = 131,2°

Risposta

θ = 131,2°

In forma polare z = 10,63∠131,2°.

2.Numeri complessi

Risposta: Im(z₂) = −3

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 delle radici

271/3 = 3

Argomento della radice

θ₂ = (90° + 360°·2)/3 = 270° → −90°

Forma cartesiana

z₂ = 3·(cos −90° + j sin −90°) = −j3
Im(z₂) = −3

Risposta

Im(z₂) = −3

Le 3 radici giacciono sulla circonferenza di raggio 3, a distanza angolare di 120°.

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 46,12 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/(ωC) = 1/(2π·60·47·10⁻⁶) = 56,44 Ω

Correnti di ramo

Entrambi i rami sono collegati direttamente all’alimentazione, quindi ognuno vede l’intera tensione V.

IR = V/R = 24/80 = 0,3 A
IX = V/XC = 24/56,44 = 0,4252 A

Corrente totale

La corrente nel resistore è in fase con V e la corrente reattiva è sfasata di 90°, quindi si sommano come i cateti di un triangolo rettangolo.

I = √(IR² + IX²) = √(0,3² + 0,4252²) = 0,5204 A

Impedenza

|Z| = V/I = 24/0,5204 = 46,12 Ω

Risposta

|Z| = 46,12 Ω
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VL = 150,8 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/√(0,2·2,2·10⁻⁶) = 1508 rad/s
I = V/R = 5/10 = 0,5 A

Tensione ai capi dell’induttore

XL = ω₀L = 1508·0,2 = 301,5 Ω
VL = I·XL = 0,5·301,5 = 150,8 V

Risposta

VL = 150,8 V

Questo è Q = 30,15 volte la tensione di alimentazione.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 70,59 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.

Corrente di linea

Solo la parte attiva della potenza compie lavoro, quindi dividi per il fattore di potenza.

I = P/(V·cos φ) = 24000/(400·0,85) = 70,59 A

Risposta

I = 70,59 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,9833

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 = 2·tan(arccos 0,8) = 1,5 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·68·10⁻⁶ = 1130 var = 1,13 kvar
Q2 = 1,5 − 1,13 = 0,3699 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(2² + 0,3699²) = 2,034 kVA

Nuovo fattore di potenza

cos φ = P/S2 = 2/2,034 = 0,9833

Risposta

cos φ = 0,9833
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: f1 = 882,8 Hz

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/(4·4²)) = 1,008

Frequenza di mezza potenza inferiore

f1 = 1000·(1,008 − 0,125) = 882,8 Hz = 882,8 Hz

Risposta

f1 = 882,8 Hz

Quella superiore è f₂ = 1,133 kHz; verifica: f₂ − f₁ = 250 Hz = f₀/Q.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: n = 2,206

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 = 2·0,0022·ln 2/10 = 0,000305 s

Numero di cicli

n = t·f0 = 0,000305·7234 = 2,206

Risposta

n = 2,206

Scorciatoia: n = Q·ln 2/π con Q = 10.

9.Sistemi trifase

Risposta: P = 20,67 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 = 415/√3 = 239,6 V

Corrente di fase

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 239,6/5 = 47,92 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·47,92²·3 = 20,67 kW

Risposta

P = 20,67 kW

Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.

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: W(∞) = 23,5 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 / 20 Ω = 2,35 ms
i(∞) = Vs/R = 20/20 = 1 A

Energia immagazzinata

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·47·1² = 23,5 mJ

Risposta

W(∞) = 23,5 mJ
12.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,4459 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.

Valore iniziale, valore finale, costante di tempo

Prima di t = 0 l’interruttore chiuso esclude R₂; dopo, R₁ e R₂ sono entrambi nella maglia.

i(0) = 9/10 = 0,9 A
i(∞) = 9/(10 + 15) = 0,36 A
τ = L/R = 68/25 = 2,72 ms
i(t) = 0,36 + (0,9 − 0,36)·e−t/τ

Corrente all’istante dato

i(5) = 0,36 + (0,54)·e−5/2,72 = 0,4459 A

Risposta

i = 0,4459 A
13.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,1915 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​ = 12 ΩR3​ = 3 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 = 12·2/(12+2) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 3 = 4,714 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 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/(12+2) = 1,286 V
Rth​ = 4,714 Ω+−Vth​1,286 VRL​2 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) = 1,286/(4,714 + 2) = 0,1915 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: IN = −1,179 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​ = 6 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​10 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 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 6 = 9,75 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​10 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) = 3,125 + (−1,5)·3,75 = −2,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −2,5 + (−1,5)·6 = −11,5 V
IN​1,179 ARth​9,75 Ωab

Equivalente di Norton

Un generatore di Norton è lo stesso circuito visto come un generatore di corrente in parallelo con R_th. La sua corrente è la corrente di cortocircuito tra a–b.

IN = Vth/Rth = −11,5/9,75 = −1,179 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ∠G(jω) = −96,58 °

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.

Somma gli angoli

∠G = atan(15/7) − 90° − atan(15/5) = 64,98° − 90° − 71,57°

Risultato

∠G(j15) = −96,58°

Risposta

∠G(jω) = −96,58°
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: PM = 17,96 °

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 del guadagno

ω⁴ + 400ω² − 1,6 × 10⁷ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·1,6 × 10⁷))/2 = 3805
ωc = 61,68 rad/s

Margine di fase

∠L(jωc) = −90° − atan(61,68/20) = −162°
PM = 180° + ∠L = 17,96°

Risposta

PM = 17,96°

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