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

Scrivi z = 5∠110° in forma cartesiana a + jb e dai la parte immaginaria b.

r = 5θ = 110°
b =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃

Le radici di zⁿ = w con n = 4 e w = 81∠45° sono zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2, 3. Trova l’argomento di z₁ in gradi, tra −180° e 180°.

w = 81∠45°n = 4k = 1
θ₁ = °
3.Impedenza AC e fasoriMedia
12 V60 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 60 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 100 µF
I = A
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
230 V200 HzR1​ = 15 ΩR2​ = 60 ΩC = 47 µF

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 200 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR1 = 15 ΩR2 = 60 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 V13 kW, 0,65225 kW, 1I = ?

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 240 V: un carico da 3 kW con fattore di potenza 0,65 induttivo e una stufa elettrica da 25 kW (fattore di potenza unitario). Trova la corrente totale I assorbita dall’alimentazione.

V = 240 VP1 = 3 kW, pf1 = 0,65 in ritardoP2 = 25 kW, pf2 = 1
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 5 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,95. Trova la capacità C necessaria.

P = 5 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
f|I|0,707120 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuito RLC serie risuona a 20 kHz con Q = 1,5. Trova esattamente la frequenza di mezza potenza inferiore f1, in kHz.

f0 = 20 kHzQ = 1,5
f1 = kHz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
V22 Ω470 µH47 nF200 mA

Un circuito RLC serie (R = 22 Ω, L = 470 µH, C = 47 nF) è alimentato alla risonanza con un’ampiezza di corrente di 200 mA. Trova l’energia Ecycle dissipata in R durante un ciclo, in µJ.

R = 22 ΩL = 470 µHC = 47 nFIm = 200 mA
Ecycle = µJ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = 75 Acos φ = 0,85in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 75 A da una rete con una tensione concatenata di 480 V. Il fattore di potenza è 0,85 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 480 VIL = 75 Acos φ = 0,85
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 60 kW con un fattore di potenza di 0,78 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 0,95 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 60 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​10 Vt = 0R = 33 ΩL47 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W immagazzinata nell’induttore a t = 1 ms, in mJ.

Vs = 10 VR = 33 ΩL = 47 mHt = 1 ms
W = mJ
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 2,2 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 12 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 9,9 V? Trova t.

Vs = 5 VR = 2,2 kΩC = 10 µFvC(0) = 12 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAIs​3 ABab

Trova la tensione di Thévenin Vth vista dai morsetti a–b.

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 30 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​L = 2 mHC = 0,1 µFR = 10 Ωvout​

Nel filtro passa-banda RLC serie mostrato l’uscita è prelevata ai capi di R = 10 Ω, con L = 2 mH e C = 0,1 µF. Trova la larghezza di banda a −3 dB BW in Hz.

R = 10 ΩL = 2 mHC = 0,1 µF
BW = Hz
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 580/(s(s + 10)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.

L(s) = 580/(s(s + 10))
ωc = rad/s

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: b = 4,698

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.

Componenti

a = 5·cos(110°) = −1,71
b = 5·sin(110°) = 4,698

Forma cartesiana

z = −1,71 + j4,698
b = 4,698

Risposta

b = 4,698
2.Numeri complessi

Risposta: θ₁ = 101,3 °

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

811/4 = 3

Argomento della radice

θ₁ = (45° + 360°·1)/4 = 101,3°

Argomento

θ₁ = 101,3°

Risposta

θ₁ = 101,3°

Le 4 radici giacciono sulla circonferenza di raggio 3, a distanza angolare di 90°.

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,1526 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,25 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (67,72)²) = 78,65 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 12/78,65 = 0,1526 A

Risposta

I = 0,1526 A
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 24,97 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·200·47·10⁻⁶) = 16,93 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 = 4,425 − j15,68 Ω

Impedenza totale

Z = 15 + 4,425 − j15,68 = 19,43 − j15,68 Ω
|Z| = √(19,43² + 15,68²) = 24,97 Ω

Risposta

|Z| = 24,97 Ω
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 117,6 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 di ciascun carico

Un carico induttivo assorbe potenza reattiva (Q > 0); un carico capacitivo la fornisce (Q < 0).

Q1 = 3·tan(arccos 0,65) = 3,507 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totali

P = 3 + 25 = 28 kW
Q = 3,507 + 0 = 3,507 kvar
S = √(28² + 3,507²) = 28,22 kVA

Corrente totale

I = S/V = 28219/240 = 117,6 A

Risposta

I = 117,6 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 68,79 µF

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 = 5·tan(45,57°) = 5,101 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(18,19°) = 1,643 kvar
QC = Q1 − Q2 = 3,458 kvar

Capacità

Un condensatore in parallelo all’alimentazione fornisce Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 3458/(2π·50·400²) = 68,79 µF

Risposta

C = 68,79 µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: f1 = 14,42 kHz

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).

Termine con la radice quadrata

√(1 + 1/(4·1,5²)) = 1,054

Frequenza di mezza potenza inferiore

f1 = 20000·(1,054 − 0,3333) = 14415 Hz = 14,42 kHz

Risposta

f1 = 14,42 kHz

Quella superiore è f₂ = 27,75 kHz; verifica: f₂ − f₁ = 13,33 kHz = f₀/Q.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Ecycle = 12,99 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 = ½·0,00047·0,2² = 9,4 × 10⁻⁶ J

Fattore di qualità

Q = (1/22)·√(0,00047/4,7 × 10⁻⁸) = 4,545

Energia persa per ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·9,4 × 10⁻⁶/4,545 = 1,299 × 10⁻⁵ J = 12,99 µJ
verifica: ½·0,2²·22/33863 = 1,299 × 10⁻⁵ J

Risposta

Ecycle = 12,99 µJ
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 53 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 = √3·480·75 = 62,35 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 62,35·0,85 = 53 kW

Risposta

P = 53 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 175,1 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 = 60·tan(acos 0,78) = 60·0,8023 = 48,14 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 28,42 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) = 9472/(314,2·415²) = 175,1 µF

Risposta

Cph = 175,1 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: W = 0,5492 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 = 47 mH / 33 Ω = 1,424 ms
i(∞) = Vs/R = 10/33 = 0,303 A

Corrente all’istante dato

i(t) = 0,303·(1 − e−1/1,424) = 0,1529 A

Energia immagazzinata

W = ½·L·i² = ½·47·0,1529² = 0,5492 mJ

Risposta

W = 0,5492 mJ
12.Transitori RC e RL

Risposta: t = 7,847 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) = 12 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 10 µF = 22 ms
vC(t) = 5 + (12 − 5)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

9,9 = 5 + (7)·e−t/τ → e−t/τ = (9,9 − 5)/(12 − 5) = 0,7
t = τ·ln((12 − 5)/(9,9 − 5)) = 22·ln(1,429) = 7,847 ms

Risposta

t = 7,847 ms
13.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 2,368 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​ = 2 ΩCORTOR2​6 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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 2 = 5,429 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​6 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) = 30·6/(8+6) = 12,86 V
IN​2,368 ARth​5,429 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 = 12,86/5,429 = 2,368 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 28,09 V

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​ = 3 ΩR3​ = 3 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 = 3·30/(3+30) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 3 = 5,727 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAIs​3 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) = 10,91 + 3·2,727 = 19,09 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19,09 + 3·3 = 28,09 V
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: BW = 795,8 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/√(0,002·1 × 10⁻⁷) = 70711 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 11254 Hz

Larghezza di banda

BW = R/L = 10/0,002 = 5000 rad/s = 795,8 Hz

Risposta

BW = 795,8 Hz
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ωc = 23,07 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 + 100ω² − 336400 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·336400))/2 = 532,2
ωc = 23,07 rad/s

Risposta

ωc = 23,07 rad/s

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