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
ReIm22−2−244−4−4θz

Trova l’argomento θ di z = 4 + j5 in gradi, come valore principale compreso tra −180° e 180°.

z = 4 + j5
θ = °
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−4z₀z₁z₂

Le radici di zⁿ = w con n = 3 e w = 64∠120° sono zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2. Trova la parte immaginaria di z₀.

w = 64∠120°n = 3k = 0
Im(z₀) =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
50 V500 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 500 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
φ = °
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 20 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF

Un circuito RLC serie ha R = 20 Ω, L = 200 mH e C = 2,2 µF. Trova il suo fattore di qualità Q in risonanza.

R = 20 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
Q =
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 10 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 10 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 230 V. Trova la corrente di linea I.

P = 10 kWpf = 0,7V = 230 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
120 V50 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j5 ΩZL​ = ?

Un generatore da 120 V (efficaci), 50 Hz ha un’impedenza interna Zs = 10 + j5 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.

Vs = 120 V (rms)f = 50 HzZs = 10 + j5 Ω
Pmax = W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V10 kΩ47 µH22 nF

Un circuito RLC parallelo ha R = 10 kΩ, L = 47 µH e C = 22 nF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 10 kΩL = 47 µHC = 22 nF
Q =
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
V10 Ω10 mH470 nF500 mA

Un circuito RLC serie (R = 10 Ω, L = 10 mH, C = 470 nF) è alimentato alla risonanza con un’ampiezza di corrente di 500 mA. Trova l’energia Ecycle dissipata in R durante un ciclo, in µJ.

R = 10 ΩL = 10 mHC = 470 nFIm = 500 mA
Ecycle = µJ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 400 VIL​ = 30 Acos φ = 0,92in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 30 A da una rete con una tensione concatenata di 400 V. Il fattore di potenza è 0,92 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 400 VIL = 30 Acos φ = 0,92
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 75 kW con un fattore di potenza di 0,65 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 0,9 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 75 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R = 10 ΩL10 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova la tensione vL ai capi dell’induttore in t = 1 ms.

Vs = 15 VR = 10 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​9 Vsi apre a t = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 10 kΩC68 µF+−vC​

L’interruttore è chiuso da molto tempo, quindi il circuito è a regime. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la tensione del condensatore vC in t = 300 ms.

Vs = 9 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩC = 68 µFt = 300 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩARL​10 ΩIL​B

Un carico RL = 10 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 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩRL = 10 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAIs​4 ABRL​20 ΩIL​

Un carico RL = 20 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 5 VIs = 4 AR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩRL = 20 Ω
PL = W
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 15

Trova il modulo esatto |G(jω)| di G(s) = 360/((s + 3)(s + 12)) a ω = 15 rad/s, in dB.

G(s) = 360/((s + 3)(s + 12))ω = 15 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)−180−135−90−450ωc​ = ?

Un anello a retroazione unitaria ha la funzione di trasferimento ad anello aperto L(s) = 7,4/(s(s + 2)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.

L(s) = 7,4/(s(s + 2))
ωc = rad/s

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = 51,34 °

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 = 4, b = 5 → I

Angolo di riferimento

α = atan(5/4) = 51,34°

Argomento

θ = α = 51,34°

Risposta

θ = 51,34°

In forma polare z = 6,403∠51,34°.

2.Numeri complessi

Risposta: Im(z₀) = 2,571

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

641/3 = 4

Argomento della radice

θ₀ = (120° + 360°·0)/3 = 40°

Forma cartesiana

z₀ = 4·(cos 40° + j sin 40°) = 3,064 + j2,571
Im(z₀) = 2,571

Risposta

Im(z₀) = 2,571

Le 3 radici giacciono sulla circonferenza di raggio 4, a distanza angolare di 120°.

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −3,5 °

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 = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−4,894)²) = 80,15 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−4,894/80) = −3,5°

Risposta

φ = −3,5°
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: Q = 15,08

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|.

Frequenza di risonanza

f0 = 1/(2π·√(0,2·2,2·10⁻⁶)) = 239,9 Hz

Fattore di qualità

Q confronta la reattanza in risonanza con la resistenza: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0,2/(2,2·10⁻⁶)) = 15,08

Risposta

Q = 15,08
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 62,11 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) = 10000/(230·0,7) = 62,11 A

Risposta

I = 62,11 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Pmax = 360 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* = 10 − j5 Ω

Potenza massima

I = Vs/(2Rs) = 120/20 = 6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·10) = 360 W

Risposta

Pmax = 360 W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 216,4

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) = 983422 rad/s

Fattore di qualità

Q = R/(ω₀L) = 10000/(983422·4,7 × 10⁻⁵) = 216,4

Risposta

Q = 216,4

La larghezza di banda è 1/(2πRC) = 723,4 Hz.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Ecycle = 538,4 µJ

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).

Energia immagazzinata

W = ½·0,01·0,5² = 0,00125 J

Fattore di qualità

Q = (1/10)·√(0,01/4,7 × 10⁻⁷) = 14,59

Energia persa per ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·0,00125/14,59 = 0,0005384 J = 538,4 µJ
verifica: ½·0,5²·10/2322 = 0,0005384 J

Risposta

Ecycle = 538,4 µJ
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 19,12 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 = √3·400·30 = 20,78 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 20,78·0,92 = 19,12 kW

Risposta

P = 19,12 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 343,4 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 = 75·tan(acos 0,65) = 75·1,169 = 87,68 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,9) = 75·0,4843 = 36,32 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 51,36 kvar

Capacità per fase

In una batteria a stella ogni condensatore è collegato tra una linea e il centro stella.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 17120/(314,2·398,4²) = 343,4 µF

Risposta

Cph = 343,4 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: vL = 5,518 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.

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 / 10 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 15/10 = 1,5 A

Tensione sull’induttore

In t = 0 tutta la tensione di alimentazione è ai capi dell’induttore; poi decade a zero.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 15·e−1/1 = 5,518 V

Risposta

vL = 5,518 V
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 5,263 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.

Tensione iniziale del condensatore

A regime il condensatore è un circuito aperto, quindi R₁ e R₂ formano un partitore di tensione. La tensione del condensatore non può variare bruscamente quando l’interruttore si apre.

vC(0) = 9·10/(1 + 10) = 8,182 V

Costante di tempo dopo l’apertura dell’interruttore

τ = R2·C = 10·68 = 680 ms

Scarica

vC(t) = 8,182·e−300/680 = 5,263 V

Risposta

vC = 5,263 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,2449 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​ = 3 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 3 = 6,333 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​10 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) = 6·10/(5+10) = 4 V
Rth​ = 6,333 Ω+−Vth​4 VRL​10 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) = 4/(6,333 + 10) = 0,2449 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 51,47 W

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​ = 8 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 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 8 = 12 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAIs​4 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) = 3,333 + 4·4 = 19,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19,33 + 4·8 = 51,33 V
Rth​ = 12 Ω+−Vth​51,33 VRL​20 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) = 51,33/(12 + 20) = 1,604 A
PL = IL²·RL = 1,604²·20 = 51,47 W
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |G(jω)| = 1,764 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(j15)| = 360/(√(15² + 3²)·√(15² + 12²)) = 360/(15,3·19,21) = 1,225

Risultato

20·log₁₀(1,225) = 1,764 dB

Risposta

|G(jω)| = 1,764 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ωc = 2,38 rad/s

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 − 54,76 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·54,76))/2 = 5,666
ωc = 2,38 rad/s

Risposta

ωc = 2,38 rad/s

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