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

Scrivi z = −7 + j in forma esponenziale r·ejθ. Dai θ in radianti, tra −π e π.

z = −7 + j
θ = rad
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃z₄z₅

Le radici di zⁿ = w con n = 6 e w = 64∠45° sono zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, …, 5. Trova la parte reale di z₁.

w = 64∠45°n = 6k = 1
Re(z₁) =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V60 HzR = 25 ΩL = 200 mHC = 47 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 = 25 ΩL = 200 mHC = 47 µF
P = W
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
230 V200 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 10 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 200 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 10 µF
VC = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 18 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 18 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 240 V. Trova la corrente di linea I.

P = 18 kWpf = 0,65V = 240 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 20 kW con un fattore di potenza di 0,6 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,95. Trova la potenza reattiva QC che il condensatore deve fornire.

P = 20 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,95V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V4,7 kΩ10 µH4,7 nF

Un circuito RLC parallelo ha R = 4,7 kΩ, L = 10 µH e C = 4,7 nF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 4,7 kΩL = 10 µHC = 4,7 nF
Q =
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
f|I|0,7071f0​ = ?400 kHz600 kHzBW

Le frequenze di mezza potenza di una curva di risonanza sono 400 kHz e 600 kHz. Trova la frequenza di risonanza come loro media geometrica, e poi il fattore di qualità Q.

f1 = 400 kHzf2 = 600 kHz
Q =
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M75 kW, η = 93%cos φ = 0,82

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 75 kW. A questo carico il suo rendimento è del 93% e il suo fattore di potenza è 0,82 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 400 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 75 kWη = 93%cos φ = 0,82VL = 400 V
IL = A
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 690 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 = 60 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​12 Vt = 0R = 47 ΩL150 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 = 12 VR = 47 ΩL = 150 mH
W(∞) = mJ
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​6 Vt = 0R = 3,3 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 5 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 5 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 300 ms.

Vs = 6 VR = 3,3 kΩC = 33 µFvC(0) = 5 Vt = 300 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​25 ΩAIs​5 ABRL​2 ΩIL​

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 = 15 VIs = 5 AR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 3 ΩRL = 2 Ω
IL = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​L = 10 mHC = 0,1 µFR = 50 Ωvout​

Nel filtro passa-banda RLC serie mostrato l’uscita è prelevata ai capi di R = 50 Ω, con L = 10 mH e C = 0,1 µF. Trova la frequenza centrale (di risonanza) f0 in Hz.

R = 50 ΩL = 10 mHC = 0,1 µF
f0 = Hz
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 30/(s(s + 2)). Trova il margine di fase PM in gradi.

L(s) = 30/(s(s + 2))
PM = °

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = 3 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 = √(49 + 1) = 7,071

Argomento in radianti

θ = 171,9° = 171,9·π/180 = 3 rad

Forma esponenziale

z = 7,071·ej3

Risposta

θ = 3 rad
2.Numeri complessi

Risposta: Re(z₁) = 0,7654

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

641/6 = 2

Argomento della radice

θ₁ = (45° + 360°·1)/6 = 67,5°

Forma cartesiana

z₁ = 2·(cos 67,5° + j sin 67,5°) = 0,7654 + j1,848
Re(z₁) = 0,7654

Risposta

Re(z₁) = 0,7654

Le 6 radici giacciono sulla circonferenza di raggio 2, a distanza angolare di 60°.

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: P = 253,9 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 = 75,4 Ω, XC = 56,44 Ω

Impedenza

|Z| = √(25² + (18,96)²) = 31,38 Ω

Potenza attiva

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

I = 100/31,38 = 3,187 A
P = I²·R = 3,187²·25 = 253,9 W

Risposta

P = 253,9 W
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 147,2 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79,58 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (108,9)²) = 124,4 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 230/124,4 = 1,85 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 1,85·79,58 = 147,2 V

Risposta

VC = 147,2 V
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 115,4 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) = 18000/(240·0,65) = 115,4 A

Risposta

I = 115,4 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: QC = 20,09 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.

Potenza reattiva prima e dopo

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

Q1 = P·tan φ1 = 20·tan(53,13°) = 26,67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(18,19°) = 6,574 kvar
QC = Q1 − Q2 = 20,09 kvar

Risposta

QC = 20,09 kvar
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 101,9

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

ω₀ = 1/√(LC) = 4,613 × 10⁶ rad/s

Fattore di qualità

Q = R/(ω₀L) = 4700/(4,613 × 10⁶·1 × 10⁻⁵) = 101,9

Risposta

Q = 101,9

La larghezza di banda è 1/(2πRC) = 7,205 kHz.

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 = √(400000·600000) = 489898 Hz

Larghezza di banda

BW = 600000 − 400000 = 200000 Hz

Fattore di qualità

Q = 489898/200000 = 2,449

Risposta

Q = 2,449
9.Sistemi trifase

Risposta: IL = 142 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 = 75/0,93 = 80,65 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 80645/(√3·400·0,82) = 142 A

Risposta

IL = 142 A
10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 33,19 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 = 60·tan(acos 0,75) = 60·0,8819 = 52,92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 33,19 kvar

Risposta

QC = 33,19 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: W(∞) = 4,889 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 = 150 mH / 47 Ω = 3,191 ms
i(∞) = Vs/R = 12/47 = 0,2553 A

Energia immagazzinata

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·150·0,2553² = 4,889 mJ

Risposta

W(∞) = 4,889 mJ
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 5,936 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.

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) = 5 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 33 µF = 108,9 ms
vC(t) = 6 + (5 − 6)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(300) = 6 + (−1)·e−300/108,9 = 5,936 V

Risposta

vC = 5,936 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 21,67 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​ = 10 ΩR3​ = 15 ΩCORTOR2​20 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 15 = 21,67 Ω
14.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 4,829 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​ = 30 ΩR3​ = 3 ΩCORTOR2​25 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 = 30·25/(30+25) = 13,64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13,64 + 3 = 16,64 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​25 ΩAIs​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) = 6,818 + 5·13,64 = 75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 75 + 5·3 = 90 V
Rth​ = 16,64 Ω+−Vth​90 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) = 90/(16,64 + 2) = 4,829 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: f0 = 5033 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/√(0,01·1 × 10⁻⁷) = 31623 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 5033 Hz

Risposta

f0 = 5033 Hz
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: PM = 20,68 °

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 + 4ω² − 900 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·900))/2 = 28,07
ωc = 5,298 rad/s

Margine di fase

∠L(jωc) = −90° − atan(5,298/2) = −159,3°
PM = 180° + ∠L = 20,68°

Risposta

PM = 20,68°

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