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
ReIm22−2−244−4−466−6−6z₁z₂w

Dati z₁ = 5∠70° e z₂ = 1,5∠80°, trova l’argomento θ di w = z₁·z₂ in gradi, tra −180° e 180°.

z₁ = 5∠70°z₂ = 1,5∠80°
θ = °
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Una radice di z³ + 13z² + 72z + 160 = 0 è z₁ = −4 + j4. I coefficienti sono reali. Trova la radice reale r.

z₁ = −4 + j4
r =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
50 V500 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 1 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 500 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 1 µF
I = A
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
2 Vf0​R = 15 ΩL = 10 mHC = 2,2 µF

Un circuito RLC serie è alimentato da un generatore da 2 V (efficaci) la cui frequenza è regolata sulla frequenza di risonanza del circuito. Trova la tensione efficace VL ai capi dell’induttore.

V = 2 V (rms)R = 15 ΩL = 10 mHC = 2,2 µF
VL = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 VZ8 + j6 ΩI

Un carico con impedenza Z = 8 + j6 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 240 V (efficaci). Trova la potenza apparente S.

V = 240 VZ = 8 + j6 Ω
S = VA
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 35 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,98. Trova la nuova corrente di linea Inew.

P = 35 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V1 Ω2,2 µH470 nF

Un circuito RLC serie ha R = 1 Ω, L = 2,2 µH e C = 470 nF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 1 ΩL = 2,2 µHC = 470 nF
Q =
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
C = 470 pFR = 10 ΩL = 470 µH

Un condensatore carico da 470 pF si scarica attraverso una bobina da 470 µH 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 = 470 µHC = 470 pFR = 10 Ω
n =
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 208 VIL​ = 10 Acos φ = 0,7in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 10 A da una rete con una tensione concatenata di 208 V. Il fattore di potenza è 0,7 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 208 VIL = 10 Acos φ = 0,7
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 150 kW con un fattore di potenza di 0,75 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. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 10 kΩC100 µF+−vC​

Il generatore Vₛ carica il condensatore attraverso R₁, e R₂ è collegato in parallelo a C. Il condensatore è scarico quando l’interruttore si chiude in t = 0. Trova la costante di tempo τ del circuito dopo la chiusura dell’interruttore.

Vs = 20 VR1 = 2,2 kΩR2 = 10 kΩC = 100 µF
τ = ms
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​10 VR1​ = 33 ΩR2​ = 20 Ωsi apre a t = 0L33 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. Quanto tempo dopo t = 0 la corrente dell’induttore raggiunge 0,234 A? Trova t.

Vs = 10 VR1 = 33 ΩR2 = 20 ΩL = 33 mH
t = ms
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩARL​15 ΩIL​B

Un carico RL = 15 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 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩRL = 15 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 15 VIs = 5 AR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​L = 2,2 mHR = 100 Ωvout​

Il filtro passa-basso RL mostrato ha R = 100 Ω, L = 2,2 mH. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 22 kHz. Trova il guadagno |H| = |vout/vin| in dB.

R = 100 ΩL = 2,2 mHf = 22 kHz
|H| = 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 + 2)(s + 10)). Trova il guadagno K che dà un margine di guadagno di 15 dB.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10))GM = 15 dB
K =

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = 150 °

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 e argomento di w

|w| = 5 · 1,5 = 7,5
θ = 70° + 80° = 150°

Argomento

θ = 150°

Risposta

θ = 150°
2.Numeri complessi

Risposta: r = −5

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.

Coppia coniugata

z₂ = −4 − j4
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·(−4)·z + ((−4)² + 4²) = z² + 8z + 32

Scomponi il fattore quadratico

z³ + 13z² + 72z + 160 = (z² + 8z + 32)(z + 5)

Radice reale

r = −5

Risposta

r = −5

Verifica con la somma delle radici: z₁ + z₂ + r = −8 + (−5) = −13 = −(13).

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,3163 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) = √(40² + (152,9)²) = 158,1 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 50/158,1 = 0,3163 A

Risposta

I = 0,3163 A
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VL = 8,989 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/√(0,01·2,2·10⁻⁶) = 6742 rad/s
I = V/R = 2/15 = 0,1333 A

Tensione ai capi dell’induttore

XL = ω₀L = 6742·0,01 = 67,42 Ω
VL = I·XL = 0,1333·67,42 = 8,989 V

Risposta

VL = 8,989 V

Questo è Q = 4,495 volte la tensione di alimentazione.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: S = 5760 VA

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

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 240/10 = 24 A

Potenza apparente

S = V·I = 240·24 = 5760 VA

Risposta

S = 5760 VA
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Inew = 155,3 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 prima e dopo

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

Q1 = P·tan φ1 = 35·tan(45,57°) = 35,71 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(11,48°) = 7,107 kvar
QC = Q1 − Q2 = 28,6 kvar

Nuova corrente di linea

Inew = P/(V·cos φ2) = 35000/(230·0,98) = 155,3 A

Risposta

Inew = 155,3 A
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 2,164

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) = √(2,2 × 10⁻⁶/4,7 × 10⁻⁷) = 2,164 Ω

Fattore di qualità

Q = 2,164/1 = 2,164

Risposta

Q = 2,164

La frequenza di risonanza è 156,5 kHz, quindi BW = f₀/Q = 72,34 kHz.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: n = 22,06

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 = 2·0,00047·ln 2/10 = 6,516 × 10⁻⁵ s

Numero di cicli

n = t·f0 = 6,516 × 10⁻⁵·338628 = 22,06

Risposta

n = 22,06

Scorciatoia: n = Q·ln 2/π con Q = 100.

9.Sistemi trifase

Risposta: P = 2,522 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 = √3·208·10 = 3,603 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 3,603·0,7 = 2,522 kW

Risposta

P = 2,522 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 226,9 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 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 101,8 kvar

Capacità per fase

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

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 33943/(314,2·690²) = 226,9 µF

Risposta

Cph = 226,9 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: τ = 180,3 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.

Equivalente di Thévenin visto dal condensatore

Cortocircuita il generatore per trovare Rth; apri il condensatore per trovare la tensione a cui si stabilizzerà.

Rth = R1 ∥ R2 = 2,2·10/(2,2 + 10) = 1,803 kΩ
vC(∞) = 20·10/(2,2 + 10) = 16,39 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 1,803·100 = 180,3 ms

Risposta

τ = 180,3 ms
12.Transitori RC e RL

Risposta: t = 0,5763 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

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

i(0) = 10/33 = 0,303 A
i(∞) = 10/(33 + 20) = 0,1887 A
τ = L/R = 33/53 = 0,6226 ms
i(t) = 0,1887 + (0,303 − 0,1887)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

e−t/τ = (0,234 − 0,1887)/(0,303 − 0,1887) = 0,3963
t = 0,6226·ln(2,523) = 0,5763 ms

Risposta

t = 0,5763 ms
13.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,2432 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​ = 20 ΩR3​ = 12 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 12 = 22 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​20 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) = 18·20/(20+20) = 9 V
Rth​ = 22 Ω+−Vth​9 VRL​15 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) = 9/(22 + 15) = 0,2432 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: IN = −3,667 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​ = 5 ΩR3​ = 5 ΩCORTOR2​20 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 5 = 9 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​20 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) = 12 + (−5)·4 = −8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −8 + (−5)·5 = −33 V
IN​3,667 ARth​9 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 = −33/9 = −3,667 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |H| = −10,11 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.

Frequenza di taglio

ωc = R/L = 100/0,0022 = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 22000/7234 = 3,041

Guadagno

|H| = 1/√(1 + 3,041²) = 0,3124
20·log₁₀(0,3124) = −10,11 dB

Risposta

|H| = −10,11 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: K = 42,68

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 della fase

(ω/2)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(2·10) = 4,472 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 100)) = K/(2·10·(2 + 10)) = K/240

Guadagno richiesto

240/K = 1015/20 = 5,623
K = 240/5,623 = 42,68

Risposta

K = 42,68

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