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
ReIm55−5−51010−10−10θz

Trova l’argomento θ di z = −9 + j5 in gradi, come valore principale compreso tra −180° e 180°.

z = −9 + j5
θ = °
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃

Le radici di zⁿ = w con n = 4 e w = 16∠180° sono zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2, 3. Trova l’argomento di z₂ in gradi, tra −180° e 180°.

w = 16∠180°n = 4k = 2
θ₂ = °
3.Impedenza AC e fasoriMedia
50 V100 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 100 Hz. Trova la potenza attiva P assorbita dall’alimentazione.

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 10 µF
P = W
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
2 Vf0​R = 20 ΩL = 20 mHC = 0,22 µF

Un circuito RLC serie è alimentato da un generatore da 2 V (efficaci) la cui frequenza è regolata sulla frequenza di risonanza del circuito. Trova la tensione efficace VL ai capi dell’induttore.

V = 2 V (rms)R = 20 ΩL = 20 mHC = 0,22 µF
VL = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 21 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 21 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 240 V. Trova la corrente di linea I.

P = 21 kWpf = 0,75V = 240 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P1​ = 134 kWQ1​S1​φ

Un trasformatore monofase da 200 kVA alimenta un carico di 134 kW con fattore di potenza 0,85 induttivo. Quanta potenza attiva in più ΔP si può aggiungere come carico resistivo (fattore di potenza unitario) prima che il trasformatore raggiunga la sua potenza nominale in kVA?

Smax = 200 kVAP1 = 134 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V47 Ω100 µH2,2 nF

Un circuito RLC serie ha R = 47 Ω, L = 100 µH e C = 2,2 nF. Trova la sua larghezza di banda BW in kHz.

R = 47 ΩL = 100 µHC = 2,2 nF
BW = kHz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
V10 Ω10 mH220 nF100 mA

Un circuito RLC serie (R = 10 Ω, L = 10 mH, C = 220 nF) è alimentato alla risonanza con un’ampiezza di corrente di 100 mA. Trova l’energia Ecycle dissipata in R durante un ciclo, in µJ.

R = 10 ΩL = 10 mHC = 220 nFIm = 100 mA
Ecycle = µJ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 208 VIL​ = 25 Acos φ = 0,7in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 25 A da una rete con una tensione concatenata di 208 V. Il fattore di potenza è 0,7 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 208 VIL = 25 Acos φ = 0,7
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 300 kW con un fattore di potenza di 0,8 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. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 300 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
R = 47 Ωt = 0L220 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 3 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 corrente i in t = 10 ms.

i(0) = 3 AR = 47 ΩL = 220 mHt = 10 ms
i = A
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 VR1​ = 10 ΩR2​ = 15 Ωsi chiude a t = 0L220 mHi(t)

L’interruttore in parallelo a R2 è aperto da molto tempo, quindi la corrente dell’induttore è stazionaria. A t = 0 l’interruttore si chiude e cortocircuita R2. Trova la corrente dell’induttore i a t = 40 ms.

Vs = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩL = 220 mHt = 40 ms
i = A
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAab

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

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 30 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​1,5 ABab

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

V1 = 36 VIs = 1,5 AR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​R = 470 ΩL = 4,7 mHvout​

Il filtro passa-alto RL mostrato ha R = 470 Ω, L = 4,7 mH. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 32 kHz. Trova il guadagno |H| = |vout/vin| in dB.

R = 470 ΩL = 4,7 mHf = 32 kHz
|H| = dB
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 4/(s(s + 2)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.

L(s) = 4/(s(s + 2))
ωc = rad/s

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = 150,9 °

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 = −9, b = 5 → II

Angolo di riferimento

α = atan(5/9) = 29,05°

Argomento

θ = 180° − α = 150,9°

Risposta

θ = 150,9°

In forma polare z = 10,3∠150,9°.

2.Numeri complessi

Risposta: θ₂ = −135 °

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

161/4 = 2

Argomento della radice

θ₂ = (180° + 360°·2)/4 = 225° → −135°

Argomento

θ₂ = −135°

Risposta

θ₂ = −135°

Le 4 radici giacciono sulla circonferenza di raggio 2, a distanza angolare di 90°.

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: P = 6,643 W

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

XL = 31,42 Ω, XC = 159,2 Ω

Impedenza

|Z| = √(50² + (−127,7)²) = 137,2 Ω

Potenza attiva

Induttori e condensatori si limitano ad accumulare e restituire energia; il resistore assorbe tutta la potenza attiva.

I = 50/137,2 = 0,3645 A
P = I²·R = 0,3645²·50 = 6,643 W

Risposta

P = 6,643 W
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VL = 30,15 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/√(0,02·0,22·10⁻⁶) = 15076 rad/s
I = V/R = 2/20 = 0,1 A

Tensione ai capi dell’induttore

XL = ω₀L = 15076·0,02 = 301,5 Ω
VL = I·XL = 0,1·301,5 = 30,15 V

Risposta

VL = 30,15 V

Questo è Q = 15,08 volte la tensione di alimentazione.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 116,7 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) = 21000/(240·0,75) = 116,7 A

Risposta

I = 116,7 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: ΔP = 47,94 kW

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 del carico esistente

Q1 = 134·tan(arccos 0,85) = 83,05 kvar

Massima potenza attiva totale

Alla potenza nominale S = Smax, e Q non cambia con il carico resistivo.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 83,05²) = 181,9 kW

Potenza attiva aggiuntiva

ΔP = 181,9 − 134 = 47,94 kW

Risposta

ΔP = 47,94 kW
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: BW = 74,8 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 = 47/1 × 10⁻⁴ = 470000 rad/s

Larghezza di banda in Hz

BW = 470000/(2π) = 74803 Hz = 74,8 kHz

Risposta

BW = 74,8 kHz

Con f₀ = 339,3 kHz si ottiene Q = 4,536.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Ecycle = 14,74 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 = ½·0,01·0,1² = 5 × 10⁻⁵ J

Fattore di qualità

Q = (1/10)·√(0,01/2,2 × 10⁻⁷) = 21,32

Energia persa per ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·5 × 10⁻⁵/21,32 = 1,474 × 10⁻⁵ J = 14,74 µJ
verifica: ½·0,1²·10/3393 = 1,474 × 10⁻⁵ J

Risposta

Ecycle = 14,74 µJ
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 6,305 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 = √3·208·25 = 9,007 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 9,007·0,7 = 6,305 kW

Risposta

P = 6,305 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 97,2 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 0,8) = 300·0,75 = 225 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,92) = 300·0,426 = 127,8 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 97,2 kvar

Risposta

QC = 97,2 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,3543 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

τ = L/R = 220 mH / 47 Ω = 4,681 ms

Decadimento della corrente

i(t) = 3·e−10/4,681 = 0,3543 A

Risposta

i = 0,3543 A
12.Transitori RC e RL

Risposta: i = 1,083 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.

Valore iniziale, valore finale, costante di tempo

Prima di t = 0 entrambi i resistori sono nella maglia; dopo, l’interruttore chiuso esclude R₂.

i(0) = 12/(10 + 15) = 0,48 A
i(∞) = 12/10 = 1,2 A
τ = L/R = 220/10 = 22 ms
i(t) = 1,2 + (0,48 − 1,2)·e−t/τ

Corrente all’istante dato

i(40) = 1,2 + (−0,72)·e−40/22 = 1,083 A

Risposta

i = 1,083 A
13.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 9 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​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩCORTOR2​12 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 12 = 18 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​12 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) = 18·12/(12+12) = 9 V
14.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 2,206 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​ = 30 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​12 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 = 30·12/(30+12) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 6 = 14,57 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​1,5 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) = 10,29 + 1,5·8,571 = 23,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 23,14 + 1,5·6 = 32,14 V
IN​2,206 ARth​14,57 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 = 32,14/14,57 = 2,206 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |H| = −0,9599 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 = R/L = 470/0,0047 = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 32000/15915 = 2,011

Guadagno

|H| = 2,011/√(1 + 2,011²) = 0,8954
20·log₁₀(0,8954) = −0,9599 dB

Risposta

|H| = −0,9599 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ωc = 1,572 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 + 4ω² − 16 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·16))/2 = 2,472
ωc = 1,572 rad/s

Risposta

ωc = 1,572 rad/s

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