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
ReIm55−5−51010−10−10zABCD

Il diagramma mostra z = 1 − j4. Con w = 0,5∠90°, clicca il punto che rappresenta z/w.

z = 1 − j4w = 0,5∠90°
  1. 1A (8 + j2)
  2. 2B (−4 − j)
  3. 3C (2 − j8)
  4. 4D (−8 − j2)
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 z₂.

w = 64∠−120°n = 3k = 2
Im(z₂) =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
50 V100 HzR = 15 ΩL = 100 mHI

Un resistore e un induttore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 100 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 = 100 HzR = 15 ΩL = 100 mH
φ = °
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
12 V500 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 500 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
f0 = Hz
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
230 VZ4 + j3 ΩI

Un carico con impedenza Z = 4 + j3 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 230 V (efficaci). Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

V = 230 VZ = 4 + j3 Ω
Q = var
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 40 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 0,92. Trova la potenza reattiva QC che il condensatore deve fornire.

P = 40 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
f|I|0,70712 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuito RLC serie risuona a 2 kHz con Q = 5. Trova esattamente la frequenza di mezza potenza inferiore f1, in kHz.

f0 = 2 kHzQ = 5
f1 = kHz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
V22 Ω4,7 mH100 nF500 mA

Un circuito RLC serie (R = 22 Ω, L = 4,7 mH, C = 100 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 = 22 ΩL = 4,7 mHC = 100 nFIm = 500 mA
Ecycle = µJ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VIL​ = 120 Acos φ = 0,75in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 120 A da una rete con una tensione concatenata di 415 V. Il fattore di potenza è 0,75 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 415 VIL = 120 Acos φ = 0,75
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 100 kW con un fattore di potenza di 0,72 in ritardo da una rete a 690 V (tensione concatenata) e 60 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,92 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​24 Vt = 0R = 20 ΩL68 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova la corrente i in t = 5 ms.

Vs = 24 VR = 20 ΩL = 68 mHt = 5 ms
i = A
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​15 Vt = 0R = ?C100 µF+−vC​

Un temporizzatore inizia a caricare un condensatore scarico attraverso un resistore da un’alimentazione di 15 V a t = 0. Deve scattare quando la tensione del condensatore raggiunge 11,25 V, esattamente 50 ms dopo l’avvio. Con C = 100 µF, trova la resistenza R necessaria.

Vs = 15 VVth = 11,25 VT = 50 msC = 100 µF
R = kΩ
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 5 VIs = 1 AR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​C = 47 nFR = 4,7 kΩvout​

Il filtro passa-alto RC mostrato ha R = 4,7 kΩ, C = 47 nF. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 2,2 kHz. Trova il guadagno |H| = |vout/vin| in dB.

R = 4,7 kΩC = 47 nFf = 2,2 kHz
|H| = dB
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (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) = 40/(s(s + 5)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.

L(s) = 40/(s(s + 5))
ωc = rad/s

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: D (−8 − j2)

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.

Effetto di w

|z/w| = |z|/0,5, arg(z/w) = arg z − 90°

Il punto

z/w = −8 − j2 → D

Risposta

D (−8 − j2)
2.Numeri complessi

Risposta: Im(z₂) = −1,368

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

θ₂ = (−120° + 360°·2)/3 = 200° → −160°

Forma cartesiana

z₂ = 4·(cos −160° + j sin −160°) = −3,759 − j1,368
Im(z₂) = −1,368

Risposta

Im(z₂) = −1,368

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

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = 13,43 °

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

XL = ωL = 2π·100·0,1 = 62,83 Ω

Correnti di ramo

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

IR = V/R = 50/15 = 3,333 A
IX = V/XL = 50/62,83 = 0,7958 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) = √(3,333² + 0,7958²) = 3,427 A

Angolo di fase

La corrente nell’induttore è in ritardo su V, quindi la corrente totale è in ritardo e l’angolo è positivo.

φ = arctan(IX/IR) = arctan(0,7958/3,333) = 13,43°

Risposta

φ = 13,43°
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 239,9 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|.

Risonanza

In risonanza le reattanze induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC). La frequenza di alimentazione non conta.

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

Risposta

f0 = 239,9 Hz
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 6348 var

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| = √(4² + 3²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 230/5 = 46 A

Potenza reattiva

Q = I²·X = 46²·3 = 6348 var

Risposta

Q = 6348 var
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: QC = 23,77 kvar

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 = 40·tan(45,57°) = 40,81 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(23,07°) = 17,04 kvar
QC = Q1 − Q2 = 23,77 kvar

Risposta

QC = 23,77 kvar
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: f1 = 1,81 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/(4·5²)) = 1,005

Frequenza di mezza potenza inferiore

f1 = 2000·(1,005 − 0,1) = 1810 Hz = 1,81 kHz

Risposta

f1 = 1,81 kHz

Quella superiore è f₂ = 2,21 kHz; verifica: f₂ − f₁ = 400 Hz = f₀/Q.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Ecycle = 374,6 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 = ½·0,0047·0,5² = 0,0005875 J

Fattore di qualità

Q = (1/22)·√(0,0047/1 × 10⁻⁷) = 9,854

Energia persa per ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·0,0005875/9,854 = 0,0003746 J = 374,6 µJ
verifica: ½·0,5²·22/7341 = 0,0003746 J

Risposta

Ecycle = 374,6 µJ
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 64,69 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 = √3·415·120 = 86,26 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 86,26·0,75 = 64,69 kW

Risposta

P = 64,69 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 99,89 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 = 100·tan(acos 0,72) = 100·0,9639 = 96,39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 53,79 kvar

Capacità per fase

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

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 17928/(377·690²) = 99,89 µF

Risposta

Cph = 99,89 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,9243 A

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 = 68 mH / 20 Ω = 3,4 ms
i(∞) = Vs/R = 24/20 = 1,2 A

Corrente all’istante dato

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 1,2·(1 − e−5/3,4) = 0,9243 A

Risposta

i = 0,9243 A
12.Transitori RC e RL

Risposta: R = 0,3607 kΩ

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 richiesta

11,25 = 15·(1 − e−50/τ) → τ = 50/ln(15/(15 − 11,25))
τ = 50/1,386 = 36,07 ms

Resistenza

kΩ per µF dà millisecondi.

R = τ/C = 36,07/100 = 0,3607 kΩ

Risposta

R = 0,3607 kΩ
13.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 14,31 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​ = 3 ΩR3​ = 12 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 12 = 14,31 Ω
14.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 1,094 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​ = 20 ΩCORTOR2​2 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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 20 = 21,2 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR2​2 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) = 2 + 1·1,2 = 3,2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3,2 + 1·20 = 23,2 V
IN​1,094 ARth​21,2 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 = 23,2/21,2 = 1,094 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |H| = −0,4425 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 = 1/(RC) = 1/(4700·4,7 × 10⁻⁸) = 4527 rad/s
fc = 720,5 Hz → f/fc = 2200/720,5 = 3,054

Guadagno

|H| = 3,054/√(1 + 3,054²) = 0,9503
20·log₁₀(0,9503) = −0,4425 dB

Risposta

|H| = −0,4425 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ωc = 5,423 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 − 1600 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·1600))/2 = 29,41
ωc = 5,423 rad/s

Risposta

ωc = 5,423 rad/s

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