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
ReIm22−2−244−4−466−6−6θz

Trova l’argomento θ di z = −5 − j6 in gradi, come valore principale compreso tra −180° e 180°.

z = −5 − j6
θ = °
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−466−6−6z₀z₁

Le radici di zⁿ = w con n = 2 e w = 36∠−60° sono zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1. Trova la parte reale di z₁.

w = 36∠−60°n = 2k = 1
Re(z₁) =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
Vf0​ = 100 HzRL = ?C = 0,47 µF

Un circuito RLC serie con C = 0,47 µF deve entrare in risonanza a 100 Hz. Trova l’induttanza L necessaria.

f0 = 100 HzC = 0,47 µF
L = mH
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 100 ΩL = 100 mHC = 1 µF

Un circuito RLC serie ha R = 100 Ω, L = 100 mH e C = 1 µF. Trova la sua larghezza di banda B (l’ampiezza della banda tra le frequenze a metà potenza), in Hz.

R = 100 ΩL = 100 mHC = 1 µF
B = Hz
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 V18 kW, 0,6522 kW, 0,9I = ?

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 240 V: un carico da 8 kW con fattore di potenza 0,65 induttivo e un carico da 2 kW con fattore di potenza 0,9 induttivo. Trova la corrente totale I assorbita dall’alimentazione.

V = 240 VP1 = 8 kW, pf1 = 0,65 in ritardoP2 = 2 kW, pf2 = 0,9 in ritardo
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
10 V60 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j6 ΩZL​ = ?

Un generatore da 10 V (efficaci), 60 Hz ha un’impedenza interna Zs = 25 + j6 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.

Vs = 10 V (rms)f = 60 HzZs = 25 + j6 Ω
Pmax = W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V22 Ω10 µH4,7 nF

Un circuito RLC serie ha R = 22 Ω, L = 10 µH e C = 4,7 nF. Trova la sua larghezza di banda BW in kHz.

R = 22 ΩL = 10 µHC = 4,7 nF
BW = kHz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
C = 100 nFR = 1 ΩL = 100 µH

Un condensatore carico da 100 nF si scarica attraverso una bobina da 100 µH con resistenza serie totale di 1 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 = 100 µHC = 100 nFR = 1 Ω
n =
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VZ = 20 + j15 Ωper fase

Un carico equilibrato a triangolo con un’impedenza di 20 + j15 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 415 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 415 VZ = 20 + j15 Ω per fase
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 300 kW con un fattore di potenza di 0,78 in ritardo da una rete a 400 V (tensione concatenata) e 60 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. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 300 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
R = 22 Ωt = 0L220 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 1,5 A. A t = 0 l’interruttore chiude la maglia attraverso R e il generatore viene escluso, quindi la corrente dell’induttore decresce attraverso R. Trova la tensione vR ai capi di R a t = 15 ms.

i(0) = 1,5 AR = 22 ΩL = 220 mHt = 15 ms
vR = V
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 18 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 7,6 V? Trova t.

Vs = 5 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 18 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩARL​12 ΩIL​B

Un carico RL = 12 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 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩRL = 12 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAIs​1 ABRL​8 ΩIL​

Un carico RL = 8 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 5 VIs = 1 AR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩRL = 8 Ω
PL = W
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,010,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 0,5

Trova il modulo esatto |G(jω)| di G(s) = 2400/((s + 8)(s + 15)) a ω = 0,5 rad/s, in dB.

G(s) = 2400/((s + 8)(s + 15))ω = 0,5 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 300/(s(s + 5)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.

L(s) = 300/(s(s + 5))
ωc = rad/s

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = −129,8 °

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 = −5, b = −6 → III

Angolo di riferimento

α = atan(6/5) = 50,19°

Argomento

θ = −(180° − α) = −129,8°

Risposta

θ = −129,8°

In forma polare z = 7,81∠−129,8°.

2.Numeri complessi

Risposta: Re(z₁) = −5,196

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

361/2 = 6

Argomento della radice

θ₁ = (−60° + 360°·1)/2 = 150°

Forma cartesiana

z₁ = 6·(cos 150° + j sin 150°) = −5,196 + j3
Re(z₁) = −5,196

Risposta

Re(z₁) = −5,196

Le 2 radici giacciono sulla circonferenza di raggio 6, a distanza angolare di 180°.

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: L = 5389 mH

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|.

Condizione di risonanza

In risonanza le reattanze induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·100 = 628,3 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628,3²·0,47·10⁻⁶) = 5389 mH

Risposta

L = 5389 mH
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: B = 159,2 Hz

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·√(0,1·1·10⁻⁶)) = 503,3 Hz

Fattore di qualità

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/100)·√(0,1/(1·10⁻⁶)) = 3,162

Larghezza di banda

B = f0/Q = 503,3/3,162 = 159,2 Hz

Risposta

B = 159,2 Hz
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 59,88 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 = 8·tan(arccos 0,65) = 9,353 kvar
Q2 = 2·tan(arccos 0,9) = 0,9686 kvar

Totali

P = 8 + 2 = 10 kW
Q = 9,353 + 0,9686 = 10,32 kvar
S = √(10² + 10,32²) = 14,37 kVA

Corrente totale

I = S/V = 14371/240 = 59,88 A

Risposta

I = 59,88 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Pmax = 1 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* = 25 − j6 Ω

Potenza massima

I = Vs/(2Rs) = 10/50 = 0,2 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 10²/(4·25) = 1 W

Risposta

Pmax = 1 W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: BW = 350,1 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).

Larghezza di banda in rad/s

R/L = 22/1 × 10⁻⁵ = 2,2 × 10⁶ rad/s

Larghezza di banda in Hz

BW = 2,2 × 10⁶/(2π) = 350141 Hz = 350,1 kHz

Risposta

BW = 350,1 kHz

Con f₀ = 734,1 kHz si ottiene Q = 2,097.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: n = 6,977

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 = 2·1 × 10⁻⁴·ln 2/1 = 0,0001386 s

Numero di cicli

n = t·f0 = 0,0001386·50329 = 6,977

Risposta

n = 6,977

Scorciatoia: n = Q·ln 2/π con Q = 31,62.

9.Sistemi trifase

Risposta: P = 16,53 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.

Tensione di fase

Vph = VL = 415 V

Corrente di fase

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16,6 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·16,6²·20 = 16,53 kW

Risposta

P = 16,53 kW

Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,8, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.

10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 95,39 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 = 300·tan(acos 0,78) = 300·0,8023 = 240,7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,9) = 300·0,4843 = 145,3 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 95,39 kvar

Risposta

QC = 95,39 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: vR = 7,363 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

τ = L/R = 220 mH / 22 Ω = 10 ms

Decadimento della corrente

i(t) = 1,5·e−15/10 = 0,3347 A
vR = R·i = 22·0,3347 = 7,363 V

Risposta

vR = 7,363 V
12.Transitori RC e RL

Risposta: t = 531,1 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 10 kΩ · 33 µF = 330 ms
vC(t) = 5 + (18 − 5)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

7,6 = 5 + (13)·e−t/τ → e−t/τ = (7,6 − 5)/(18 − 5) = 0,2
t = τ·ln((18 − 5)/(7,6 − 5)) = 330·ln(5) = 531,1 ms

Risposta

t = 531,1 ms
13.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,916 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​ = 3 ΩR3​ = 5 ΩCORTOR2​4 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 5 = 6,714 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​4 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) = 30·4/(3+4) = 17,14 V
Rth​ = 6,714 Ω+−Vth​17,14 VRL​12 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) = 17,14/(6,714 + 12) = 0,916 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 6,163 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​ = 3 ΩR3​ = 30 ΩCORTOR2​5 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 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 30 = 31,88 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​5 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) = 3,125 + 1·1,875 = 5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5 + 1·30 = 35 V
Rth​ = 31,88 Ω+−Vth​35 VRL​8 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) = 35/(31,88 + 8) = 0,8777 A
PL = IL²·RL = 0,8777²·8 = 6,163 W
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |G(jω)| = 26 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(j0,5)| = 2400/(√(0,5² + 8²)·√(0,5² + 15²)) = 2400/(8,016·15,01) = 19,95

Risultato

20·log₁₀(19,95) = 26 dB

Risposta

|G(jω)| = 26 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ωc = 16,96 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 + 25ω² − 90000 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·90000))/2 = 287,8
ωc = 16,96 rad/s

Risposta

ωc = 16,96 rad/s

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