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
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂w

Dati z₁ = 2∠−35° e z₂ = 0,5∠−95°, trova l’argomento θ di w = z₁/z₂ in gradi, tra −180° e 180°.

z₁ = 2∠−35°z₂ = 0,5∠−95°
θ = °
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂

Una radice di z³ − 10z² + 34z − 40 = 0 è z₁ = 3 + j. I coefficienti sono reali. Trova la radice reale r.

z₁ = 3 + j
r =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
230 V50 HzR = 100 ΩC = 100 µFI

Un resistore e un condensatore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 50 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 230 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩC = 100 µF
φ = °
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
1 Vf0​R = 10 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF

Un circuito RLC serie è alimentato da un generatore da 1 V (efficaci) la cui frequenza è regolata sulla frequenza di risonanza del circuito. Trova la tensione efficace VL ai capi dell’induttore.

V = 1 V (rms)R = 10 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
VL = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 12 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 12 kW con un fattore di potenza di 0,9 induttivo da un’alimentazione da 240 V. Trova la corrente di linea I.

P = 12 kWpf = 0,9V = 240 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 20 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,9. Trova la nuova corrente di linea Inew.

P = 20 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
f|I|0,707110 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuito RLC serie risuona a 10 kHz con Q = 1,5. Trova esattamente la frequenza di mezza potenza inferiore f1, in kHz.

f0 = 10 kHzQ = 1,5
f1 = kHz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
V1 Ω4,7 mH470 nF10 mA

Un circuito RLC serie (R = 1 Ω, L = 4,7 mH, C = 470 nF) è alimentato alla risonanza con un’ampiezza di corrente di 10 mA. Trova l’energia Ecycle dissipata in R durante un ciclo, in nJ.

R = 1 ΩL = 4,7 mHC = 470 nFIm = 10 mA
Ecycle = nJ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 400 VIL​ = 30 Acos φ = 0,9in 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 0,9 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 400 VIL = 30 Acos φ = 0,9
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 690 V (tensione concatenata) e 50 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,92 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 60 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​12 Vt = 0R = 22 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 = 12 VR = 22 ΩL = 68 mHt = 5 ms
i = A
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​20 Vt = 0R = 4,7 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 8 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 120 ms.

Vs = 20 VR = 4,7 kΩC = 100 µFvC(0) = 8 Vt = 120 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 25 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​L = 1 mHC = 1 µFR = 20 Ωvout​

Nel filtro passa-banda RLC serie mostrato l’uscita è prelevata ai capi di R = 20 Ω, con L = 1 mH e C = 1 µF. Trova il fattore di qualità Q.

R = 20 ΩL = 1 mHC = 1 µF
Q =
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un anello a retroazione unitaria ha la funzione di trasferimento ad anello aperto L(s) = K/(s(s + 1)(s + 6)). Trova il guadagno K che dà un margine di guadagno di 10 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 6))GM = 10 dB
K =

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = 60 °

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.

Modulo e argomento di w

|w| = 2 / 0,5 = 4
θ = −35° − (−95)° = 60°

Argomento

θ = 60°

Risposta

θ = 60°
2.Numeri complessi

Risposta: r = 4

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.

Coppia coniugata

z₂ = 3 − j
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·3·z + (3² + 1²) = z² − 6z + 10

Scomponi il fattore quadratico

z³ − 10z² + 34z − 40 = (z² − 6z + 10)(z − 4)

Radice reale

r = 4

Risposta

r = 4

Verifica con la somma delle radici: z₁ + z₂ + r = 6 + 4 = 10 = −(−10).

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −72,34 °

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·50·100·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Correnti di ramo

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

IR = V/R = 230/100 = 2,3 A
IX = V/XC = 230/31,83 = 7,226 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) = √(2,3² + 7,226²) = 7,583 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(7,226/2,3) = −72,34°

Risposta

φ = −72,34°
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VL = 21,32 V

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 si annullano, quindi l’impedenza è semplicemente R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·2,2·10⁻⁶) = 2132 rad/s
I = V/R = 1/10 = 0,1 A

Tensione ai capi dell’induttore

XL = ω₀L = 2132·0,1 = 213,2 Ω
VL = I·XL = 0,1·213,2 = 21,32 V

Risposta

VL = 21,32 V

Questo è Q = 21,32 volte la tensione di alimentazione.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 55,56 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) = 12000/(240·0,9) = 55,56 A

Risposta

I = 55,56 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Inew = 92,59 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 prima e dopo

La potenza attiva P non cambia; cambia solo la potenza reattiva prelevata dalla rete.

Q1 = P·tan φ1 = 20·tan(49,46°) = 23,38 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(25,84°) = 9,686 kvar
QC = Q1 − Q2 = 13,7 kvar

Nuova corrente di linea

Inew = P/(V·cos φ2) = 20000/(240·0,9) = 92,59 A

Risposta

Inew = 92,59 A
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: f1 = 7,208 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 = 10000·(1,054 − 0,3333) = 7208 Hz = 7,208 kHz

Risposta

f1 = 7,208 kHz

Quella superiore è f₂ = 13,87 kHz; verifica: f₂ − f₁ = 6,667 kHz = f₀/Q.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Ecycle = 14,77 nJ

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 = ½·0,0047·0,01² = 2,35 × 10⁻⁷ J

Fattore di qualità

Q = (1/1)·√(0,0047/4,7 × 10⁻⁷) = 100

Energia persa per ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·2,35 × 10⁻⁷/100 = 1,477 × 10⁻⁸ J = 14,77 nJ
verifica: ½·0,01²·1/3386 = 1,477 × 10⁻⁸ J

Risposta

Ecycle = 14,77 nJ
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 18,71 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 = 20,78·0,9 = 18,71 kW

Risposta

P = 18,71 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 150,9 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 0,92) = 60·0,426 = 25,56 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 22,58 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) = 7526/(314,2·398,4²) = 150,9 µF

Risposta

Cph = 150,9 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,4373 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 / 22 Ω = 3,091 ms
i(∞) = Vs/R = 12/22 = 0,5455 A

Corrente all’istante dato

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,5455·(1 − e−5/3,091) = 0,4373 A

Risposta

i = 0,4373 A
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 10,7 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.

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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 100 µF = 470 ms
vC(t) = 20 + (8 − 20)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(120) = 20 + (−12)·e−120/470 = 10,7 V

Risposta

vC = 10,7 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 7,217 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​ = 8 ΩR3​ = 2 ΩCORTOR2​15 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 2 = 7,217 Ω
14.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 4,638 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​ = 15 ΩR3​ = 20 ΩCORTOR2​25 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 = 15·25/(15+25) = 9,375 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 9,375 + 20 = 29,38 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​25 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) = 18,75 + 4·9,375 = 56,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 56,25 + 4·20 = 136,3 V
IN​4,638 ARth​29,38 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 = 136,3/29,38 = 4,638 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: Q = 1,581

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/√(0,001·1 × 10⁻⁶) = 31623 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 5033 Hz

Fattore di qualità

BW = R/L = 20/0,001 = 20000 rad/s = 3183 Hz
Q = ω₀/BW = 31623/20000 = 1,581

Risposta

Q = 1,581
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: K = 13,28

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 della fase

(ω/1)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(1·6) = 2,449 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 36)) = K/(1·6·(1 + 6)) = K/42

Guadagno richiesto

42/K = 1010/20 = 3,162
K = 42/3,162 = 13,28

Risposta

K = 13,28

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