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.

Nuovi eserciziTorna al corso

Nella finestra di stampa scegli “Salva come PDF” per conservarne una copia sul tuo dispositivo.

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

Trova l’argomento θ di z = 3 + j5 in gradi, come valore principale compreso tra −180° e 180°.

z = 3 + j5
θ = °
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−233−3−3ABCD

Esattamente uno dei punti A–D è una radice di z⁶ = 729∠−90°. Cliccalo.

w = 729∠−90°n = 6
  1. 1A (3∠−135°)
  2. 2B (3∠135°)
  3. 3C (1,5∠−135°)
  4. 4D (3∠−105°)
3.Impedenza AC e fasoriMedia
24 V500 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 47 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 500 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 47 µF
I = A
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
24 V500 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 500 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 V16 kW, 0,626 kW, 1I

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 240 V: un carico da 6 kW con fattore di potenza 0,6 induttivo e una stufa elettrica da 6 kW (fattore di potenza unitario). Trova il fattore di potenza complessivo cos φ visto dall’alimentazione.

V = 240 VP1 = 6 kW, pf1 = 0,6 in ritardoP2 = 6 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
230 V50 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j3 ΩZL​ = ?

Un generatore da 230 V (efficaci), 50 Hz ha un’impedenza interna Zs = 25 + j3 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.

Vs = 230 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j3 Ω
Pmax = W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V5 Ω10 mH4,7 nF

Un circuito RLC serie ha R = 5 Ω, L = 10 mH e C = 4,7 nF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 5 ΩL = 10 mHC = 4,7 nF
Q =
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
V10 ΩLC = ?

Progetta un filtro RLC serie con una resistenza totale di 10 Ω, una frequenza di risonanza di 50 kHz e una larghezza di banda di 2 kHz. Trova la capacità C in nF.

R = 10 Ωf0 = 50 kHzBW = 2 kHz
C = nF
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M11 kW, η = 92%cos φ = 0,9

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 11 kW. A questo carico il suo rendimento è del 92% e il suo fattore di potenza è 0,9 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 415 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 11 kWη = 92%cos φ = 0,9VL = 415 V
IL = A
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 75 kW con un fattore di potenza di 0,78 in ritardo da una rete a 690 V (tensione concatenata) e 50 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,98 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 75 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R = 50 ΩL10 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 = 20 VR = 50 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​6 Vt = 0R = 10 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 3 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 3,9 V? Trova t.

Vs = 6 VR = 10 kΩC = 22 µFvC(0) = 3 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​30 ΩAIs​1,5 ABRL​5 ΩIL​

Un carico RL = 5 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 = 1,5 AR1 = 4 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 ΩRL = 5 Ω
IL = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​L = 10 mHC = 0,22 µFR = 100 Ωvout​

Nel filtro passa-banda RLC serie mostrato l’uscita è prelevata ai capi di R = 100 Ω, con L = 10 mH e C = 0,22 µF. Trova la frequenza centrale (di risonanza) f0 in Hz.

R = 100 ΩL = 10 mHC = 0,22 µF
f0 = Hz
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) = 368/(s(s + 5)(s + 8)). Trova il margine di guadagno GM in dB.

L(s) = 368/(s(s + 5)(s + 8))
GM = dB

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = 59,04 °

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 = 3, b = 5 → I

Angolo di riferimento

α = atan(5/3) = 59,04°

Argomento

θ = α = 59,04°

Risposta

θ = 59,04°

In forma polare z = 5,831∠59,04°.

2.Numeri complessi

Risposta: A (3∠−135°)

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| = 3
θ = −15°, 45°, 105°, 165°, −135°, −75°

Il punto

A = 3∠−135°

Risposta

A (3∠−135°)
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,0516 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/(3142·47·10⁻⁶) = 6,773 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (464,5)²) = 465,1 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 24/465,1 = 0,0516 A

Risposta

I = 0,0516 A
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 189,6 Hz

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 induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC). La frequenza di alimentazione non conta.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,15·4,7·10⁻⁶)) = 189,6 Hz

Risposta

f0 = 189,6 Hz
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,8321

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 = 6·tan(arccos 0,6) = 8 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totali

P = 6 + 6 = 12 kW
Q = 8 + 0 = 8 kvar
S = √(12² + 8²) = 14,42 kVA

Fattore di potenza complessivo

cos φ = P/S = 12/14,42 = 0,8321 in ritardo

Risposta

cos φ = 0,8321
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Pmax = 529 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* = 25 − j3 Ω

Potenza massima

I = Vs/(2Rs) = 230/50 = 4,6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·25) = 529 W

Risposta

Pmax = 529 W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 291,7

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).

Impedenza caratteristica

√(L/C) = √(0,01/4,7 × 10⁻⁹) = 1459 Ω

Fattore di qualità

Q = 1459/5 = 291,7

Risposta

Q = 291,7

La frequenza di risonanza è 23,22 kHz, quindi BW = f₀/Q = 79,58 Hz.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: C = 12,73 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) = 10/(2π·2000) = 0,0007958 H

Capacità dalla frequenza di risonanza

C = 1/((2π·50000)²·0,0007958) = 1,273 × 10⁻⁸ F = 12,73 nF

Risposta

C = 12,73 nF

Q = f₀/BW = 25.

9.Sistemi trifase

Risposta: IL = 18,48 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 = 11/0,92 = 11,96 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 11957/(√3·415·0,9) = 18,48 A

Risposta

IL = 18,48 A
10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 44,94 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 = 75·tan(acos 0,78) = 75·0,8023 = 60,17 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,98) = 75·0,2031 = 15,23 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 44,94 kvar

Risposta

QC = 44,94 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,3973 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 = 10 mH / 50 Ω = 0,2 ms
i(∞) = Vs/R = 20/50 = 0,4 A

Corrente all’istante dato

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,4·(1 − e−1/0,2) = 0,3973 A

Risposta

i = 0,3973 A
12.Transitori RC e RL

Risposta: t = 78,47 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.

Valore iniziale, valore finale, costante di tempo

La tensione del condensatore non può saltare, quindi parte dal valore immagazzinato e tende alla tensione del generatore.

vC(0) = 3 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 10 kΩ · 22 µF = 220 ms
vC(t) = 6 + (3 − 6)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

3,9 = 6 + (−3)·e−t/τ → e−t/τ = (3,9 − 6)/(3 − 6) = 0,7
t = τ·ln((3 − 6)/(3,9 − 6)) = 220·ln(1,429) = 78,47 ms

Risposta

t = 78,47 ms
13.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 0,3488 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​ = 8 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​15 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 6 = 11,22 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 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) = 6·15/(8+15) = 3,913 V
IN​0,3488 ARth​11,22 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 = 3,913/11,22 = 0,3488 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 1,42 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​ = 4 ΩR3​ = 30 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 = 4·30/(4+30) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 30 = 33,53 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​30 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) = 4,412 + 1,5·3,529 = 9,706 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,706 + 1,5·30 = 54,71 V
Rth​ = 33,53 Ω+−Vth​54,71 VRL​5 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) = 54,71/(33,53 + 5) = 1,42 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: f0 = 3393 Hz

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.

Frequenza di risonanza

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2,2 × 10⁻⁷) = 21320 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3393 Hz

Risposta

f0 = 3393 Hz
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: GM = 3,003 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/8) = 1 → ω180 = √(5·8) = 6,325 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 64)) = K/(5·8·(5 + 8)) = K/520

Margine di guadagno

GM = 20·log₁₀(520/368) = 3,003 dB

Risposta

GM = 3,003 dB

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-2