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
ReIm11−1−122−2−233−3−3θz

Il numero z = 3·e−j0,5 ha l’angolo in radianti. Trova la sua parte reale a.

r = 3θ = −0,5 rad
a =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−4ABCD

Esattamente uno dei punti A–D è una radice di z⁶ = 64∠90°. Cliccalo.

w = 64∠90°n = 6
  1. 1A (2∠105°)
  2. 2B (3,6∠75°)
  3. 3C (2∠75°)
  4. 4D (2∠−75°)
3.Impedenza AC e fasoriMedia
12 V500 HzR = 40 ΩC = 22 µFI

Un resistore e un condensatore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 500 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩC = 22 µF
φ = °
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
50 V500 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 40 ΩC = 10 µF

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 500 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR1 = 20 ΩR2 = 40 ΩC = 10 µF
|Z| = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
120 VR + jXP = 720 W12 A

Un carico induttivo assorbe 12 A e 720 W da un’alimentazione monofase da 120 V (efficaci). Modellalo come una resistenza R in serie con una reattanza X. Trova X.

V = 120 VI = 12 AP = 720 W
X = Ω
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
230 V50 Hzcarico20 kW, 0,65C470 µFI

Un carico monofase assorbe 20 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 50 Hz. Un condensatore da 470 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova il nuovo fattore di potenza cos φ visto dall’alimentazione.

P = 20 kWpf1 = 0,65V = 230 Vf = 50 HzC = 470 µF
cos φ =
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V4,7 kΩ22 mH100 nF

Un circuito RLC parallelo ha R = 4,7 kΩ, L = 22 mH e C = 100 nF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 4,7 kΩL = 22 mHC = 100 nF
Q =
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
V1 Ω220 µH47 nF500 mA

Un circuito RLC serie (R = 1 Ω, L = 220 µH, C = 47 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 = 1 ΩL = 220 µHC = 47 nFIm = 500 mA
Ecycle = µJ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M7,5 kW, η = 92%cos φ = 0,88

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 7,5 kW. A questo carico il suo rendimento è del 92% e il suo fattore di potenza è 0,88 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 480 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 7,5 kWη = 92%cos φ = 0,88VL = 480 V
IL = A
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 50 kW con un fattore di potenza di 0,7 in ritardo da una rete a 415 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 = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​6 Vt = 0R = 33 ΩL150 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Quanto tempo dopo la chiusura dell’interruttore la corrente raggiunge il 99% del suo valore finale? Trova t.

Vs = 6 VR = 33 ΩL = 150 mH
t = ms
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​24 Vt = 0R = 2,2 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 2 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 17,4 V? Trova t.

Vs = 24 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 2 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 12 VIs = 1 AR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 2

Trova la fase ∠G(jω) di G(s) = 26(s + 18)/(s(s + 11)) a ω = 2 rad/s, in gradi.

G(s) = 26(s + 18)/(s(s + 11))ω = 2 rad/s
∠G(jω) = °
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (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) = 120/(s(s + 4)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.

L(s) = 120/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: a = 2,633

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.

Formula di Eulero

z = 3·(cos −0,5 + j sin −0,5)

Componenti (radianti)

a = 3·cos −0,5 = 2,633
b = 3·sin −0,5 = −1,438
a = 2,633

Risposta

a = 2,633
2.Numeri complessi

Risposta: C (2∠75°)

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| = 2
θ = 15°, 75°, 135°, −165°, −105°, −45°

Il punto

C = 2∠75°

Risposta

C (2∠75°)
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −70,11 °

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·500·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω

Correnti di ramo

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

IR = V/R = 12/40 = 0,3 A
IX = V/XC = 12/14,47 = 0,8294 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 + 0,8294²) = 0,882 A

Angolo di fase

La corrente nel condensatore è in anticipo su V, quindi la corrente totale è in anticipo e l’angolo è negativo.

φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(0,8294/0,3) = −70,11°

Risposta

φ = −70,11°
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 40,51 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/(2π·500·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Combinazione in parallelo

Moltiplica numeratore e denominatore per il complesso coniugato per separare Zp in parte reale e parte immaginaria.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 15,51 − j19,49 Ω

Impedenza totale

Z = 20 + 15,51 − j19,49 = 35,51 − j19,49 Ω
|Z| = √(35,51² + 19,49²) = 40,51 Ω

Risposta

|Z| = 40,51 Ω
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: X = 8,66 Ω

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.

Resistenza dalla potenza attiva

R = P/I² = 720/12² = 5 Ω

Reattanza dall’impedenza

|Z| = V/I = 120/12 = 10 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(10² − 5²) = 8,66 Ω

Risposta

X = 8,66 Ω
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,789

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 = 20·tan(arccos 0,65) = 23,38 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·470·10⁻⁶ = 7811 var = 7,811 kvar
Q2 = 23,38 − 7,811 = 15,57 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(20² + 15,57²) = 25,35 kVA

Nuovo fattore di potenza

cos φ = P/S2 = 20/25,35 = 0,789

Risposta

cos φ = 0,789
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 10,02

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) = 21320 rad/s

Fattore di qualità

Q = R/(ω₀L) = 4700/(21320·0,022) = 10,02

Risposta

Q = 10,02

La larghezza di banda è 1/(2πRC) = 338,6 Hz.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Ecycle = 2,526 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 = ½·0,00022·0,5² = 2,75 × 10⁻⁵ J

Fattore di qualità

Q = (1/1)·√(0,00022/4,7 × 10⁻⁸) = 68,42

Energia persa per ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·2,75 × 10⁻⁵/68,42 = 2,526 × 10⁻⁶ J = 2,526 µJ
verifica: ½·0,5²·1/49495 = 2,526 × 10⁻⁶ J

Risposta

Ecycle = 2,526 µJ
9.Sistemi trifase

Risposta: IL = 11,14 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 = 7,5/0,92 = 8,152 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8152/(√3·480·0,88) = 11,14 A

Risposta

IL = 11,14 A
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 251,7 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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 40,86 kvar

Capacità per fase

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

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13619/(314,2·415²) = 251,7 µF

Risposta

Cph = 251,7 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: t = 20,93 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.

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 / 33 Ω = 4,545 ms
i(∞) = Vs/R = 6/33 = 0,1818 A

Risolvi per il tempo

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −4,545·ln(0,01) = 20,93 ms

Risposta

t = 20,93 ms
12.Transitori RC e RL

Risposta: t = 124,5 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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 47 µF = 103,4 ms
vC(t) = 24 + (2 − 24)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

17,4 = 24 + (−22)·e−t/τ → e−t/τ = (17,4 − 24)/(2 − 24) = 0,3
t = τ·ln((2 − 24)/(17,4 − 24)) = 103,4·ln(3,333) = 124,5 ms

Risposta

t = 124,5 ms
13.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 12,67 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​ = 20 ΩR3​ = 6 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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 6 = 12,67 Ω
14.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 1,229 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​ = 25 ΩR3​ = 15 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 = 25·30/(25+30) = 13,64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13,64 + 15 = 28,64 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAIs​1 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) = 6,545 + 1·13,64 = 20,18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 20,18 + 1·15 = 35,18 V
IN​1,229 ARth​28,64 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 = 35,18/28,64 = 1,229 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ∠G(jω) = −93,96 °

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.

Somma gli angoli

∠G = atan(2/18) − 90° − atan(2/11) = 6,34° − 90° − 10,3°

Risultato

∠G(j2) = −93,96°

Risposta

∠G(jω) = −93,96°
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ωc = 10,6 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 + 16ω² − 14400 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·14400))/2 = 112,3
ωc = 10,6 rad/s

Risposta

ωc = 10,6 rad/s

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