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
ReIm11−1−122−2−233−3−344−4−455−5−5zABCD

Il diagramma mostra z = 1 − j2. Con w = 2∠90°, clicca il punto che rappresenta z·w.

z = 1 − j2w = 2∠90°
  1. 1A (2 + j)
  2. 2B (−4 − j2)
  3. 3C (2 − j4)
  4. 4D (4 + j2)
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−2ABCD

Esattamente uno dei punti A–D è una radice di z⁴ = 16∠90°. Cliccalo.

w = 16∠90°n = 4
  1. 1A (2∠90°)
  2. 2B (2∠−22,5°)
  3. 3C (1∠−67,5°)
  4. 4D (2∠−67,5°)
3.Impedenza AC e fasoriMedia
Vf0​ = 60 HzRL = ?C = 22 µF

Un circuito RLC serie con C = 22 µF deve entrare in risonanza a 60 Hz. Trova l’induttanza L necessaria.

f0 = 60 HzC = 22 µF
L = mH
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
120 V60 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 22 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 60 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 22 µF
f0 = Hz
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
230 VR + jXP = 3617 W18,5 A

Un carico induttivo assorbe 18,5 A e 3617 W da un’alimentazione monofase da 230 V (efficaci). Modellalo come una resistenza R in serie con una reattanza X. Trova R.

V = 230 VI = 18,5 AP = 3617 W
R = Ω
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 15 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 60 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,95. Trova la potenza reattiva QC che il condensatore deve fornire.

P = 15 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V2,2 kΩ470 µH470 pF

Un circuito RLC parallelo ha R = 2,2 kΩ, L = 470 µH e C = 470 pF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 2,2 kΩL = 470 µHC = 470 pF
Q =
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
V10 Ω47 µH4,7 nF10 mA

Un circuito RLC serie (R = 10 Ω, L = 47 µH, C = 4,7 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 = 10 ΩL = 47 µHC = 4,7 nFIm = 10 mA
Ecycle = nJ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VZ = 4 + j3 Ωper fase

Un carico equilibrato a triangolo con un’impedenza di 4 + j3 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 480 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 480 VZ = 4 + j3 Ω per fase
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 250 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 0,95 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 250 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
R = 15 Ωt = 0L100 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 2,5 A. A t = 0 l’interruttore chiude la maglia attraverso R e il generatore viene escluso, quindi la corrente dell’induttore decresce attraverso R. Quanto tempo serve perché la corrente scenda a 0,25 A? Trova t.

i(0) = 2,5 AR = 15 ΩL = 100 mH
t = ms
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​9 Vt = 0R = 6,8 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 24 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 250 ms.

Vs = 9 VR = 6,8 kΩC = 47 µFvC(0) = 24 Vt = 250 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAab

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

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 24 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)1101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 30

Trova il modulo esatto |G(jω)| di G(s) = 1320/((s + 11)(s + 12)) a ω = 30 rad/s, in dB.

G(s) = 1320/((s + 11)(s + 12))ω = 30 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) = 350/(s(s + 5)). Trova il margine di fase PM in gradi.

L(s) = 350/(s(s + 5))
PM = °

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: D (4 + 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| = 2·|z|, arg(z·w) = arg z + 90°

Il punto

z·w = 4 + j2 → D

Risposta

D (4 + j2)
2.Numeri complessi

Risposta: D (2∠−67,5°)

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 = 22,5°, 112,5°, −157,5°, −67,5°

Il punto

D = 2∠−67,5°

Risposta

D (2∠−67,5°)
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: L = 319,8 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·60 = 377 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(377²·22·10⁻⁶) = 319,8 mH

Risposta

L = 319,8 mH
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 87,61 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·√(0,15·22·10⁻⁶)) = 87,61 Hz

Risposta

f0 = 87,61 Hz
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: R = 10,57 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 = 3617/18,5² = 10,57 Ω

Risposta

R = 10,57 Ω
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: QC = 12,61 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 = 15·tan(49,46°) = 17,54 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(18,19°) = 4,93 kvar
QC = Q1 − Q2 = 12,61 kvar

Risposta

QC = 12,61 kvar
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 2,2

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) = 2,128 × 10⁶ rad/s

Fattore di qualità

Q = R/(ω₀L) = 2200/(2,128 × 10⁶·0,00047) = 2,2

Risposta

Q = 2,2

La larghezza di banda è 1/(2πRC) = 153,9 kHz.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Ecycle = 1,477 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 = ½·4,7 × 10⁻⁵·0,01² = 2,35 × 10⁻⁹ J

Fattore di qualità

Q = (1/10)·√(4,7 × 10⁻⁵/4,7 × 10⁻⁹) = 10

Energia persa per ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·2,35 × 10⁻⁹/10 = 1,477 × 10⁻⁹ J = 1,477 nJ
verifica: ½·0,01²·10/338628 = 1,477 × 10⁻⁹ J

Risposta

Ecycle = 1,477 nJ
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 110,6 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 = 480 V

Corrente di fase

|Z| = √(4² + 3²) = 5 Ω
Iph = 480/5 = 96 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·96²·4 = 110,6 kW

Risposta

P = 110,6 kW

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

10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 118,4 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 = 250·tan(acos 0,78) = 250·0,8023 = 200,6 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 118,4 kvar

Risposta

QC = 118,4 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: t = 15,35 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

τ = L/R = 100 mH / 15 Ω = 6,667 ms

Risolvi per il tempo

0,25 = 2,5·e−t/τ → t = τ·ln(2,5/0,25)
t = 6,667·ln(10) = 15,35 ms

Risposta

t = 15,35 ms
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 15,86 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 47 µF = 319,6 ms
vC(t) = 9 + (24 − 9)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(250) = 9 + (15)·e−250/319,6 = 15,86 V

Risposta

vC = 15,86 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 0,7143 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​ = 6 ΩR3​ = 6 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 = 6·4/(6+4) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 6 = 8,4 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 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) = 15·4/(6+4) = 6 V
IN​0,7143 ARth​8,4 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 = 6/8,4 = 0,7143 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 77,22 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​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩCORTOR2​8 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 12 = 17,22 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​8 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) = 8,348 + 4·5,217 = 29,22 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 29,22 + 4·12 = 77,22 V
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |G(jω)| = 2,134 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(j30)| = 1320/(√(30² + 11²)·√(30² + 12²)) = 1320/(31,95·32,31) = 1,279

Risultato

20·log₁₀(1,279) = 2,134 dB

Risposta

|G(jω)| = 2,134 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: PM = 15,22 °

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 − 122500 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·122500))/2 = 337,7
ωc = 18,38 rad/s

Margine di fase

∠L(jωc) = −90° − atan(18,38/5) = −164,8°
PM = 180° + ∠L = 15,22°

Risposta

PM = 15,22°

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