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

Scrivi z = 8∠140° in forma cartesiana a + jb e dai la parte immaginaria b.

r = 8θ = 140°
b =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Una radice di z³ + 4z² + 13z − 50 = 0 è z₁ = −3 + j4. I coefficienti sono reali. Trova la radice reale r.

z₁ = −3 + j4
r =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V60 HzR = 50 ΩC = 47 µFI

Un resistore e un condensatore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 60 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩC = 47 µF
φ = °
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
50 V100 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 47 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 100 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 47 µF
VC = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 27 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 27 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 230 V. Trova la corrente di linea I.

P = 27 kWpf = 0,65V = 230 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
24 V50 HzRs​ = 8 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

Un generatore da 24 V (efficaci), 50 Hz ha un’impedenza interna Zs = 8 + j15 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.

Vs = 24 V (rms)f = 50 HzZs = 8 + j15 Ω
Pmax = W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
f|I|0,707150 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuito RLC serie risuona a 50 kHz con Q = 4. Trova esattamente la frequenza di mezza potenza inferiore f1, in kHz.

f0 = 50 kHzQ = 4
f1 = kHz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
VR = ?220 µHC

Un circuito risonante serie usa un induttore da 220 µH. Quale resistenza serie totale R dà una larghezza di banda di 50 kHz?

L = 220 µHBW = 50 kHz
R = Ω
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = 150 Acos φ = 0,88in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 150 A da una rete con una tensione concatenata di 480 V. Il fattore di potenza è 0,88 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 480 VIL = 150 Acos φ = 0,88
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 400 V (tensione concatenata) e 50 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. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 60 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​9 Vt = 0R = 50 ΩL10 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W immagazzinata nell’induttore a t = 1 ms, in mJ.

Vs = 9 VR = 50 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 3,3 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 15 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 11 V? Trova t.

Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 33 µFvC(0) = 15 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAab

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

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 25 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​4 ΩAIs​2 ABRL​15 ΩIL​

Un carico RL = 15 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 36 VIs = 2 AR1 = 25 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩRL = 15 Ω
PL = W
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 3

Trova il modulo esatto |G(jω)| di G(s) = 5700/((s + 15)(s + 19)) a ω = 3 rad/s, in dB.

G(s) = 5700/((s + 15)(s + 19))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = dB
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 + 2)(s + 10)). Trova il guadagno K che dà un margine di guadagno di 6 dB.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10))GM = 6 dB
K =

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: b = 5,142

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.

Componenti

a = 8·cos(140°) = −6,128
b = 8·sin(140°) = 5,142

Forma cartesiana

z = −6,128 + j5,142
b = 5,142

Risposta

b = 5,142
2.Numeri complessi

Risposta: r = 2

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 − j4
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·(−3)·z + ((−3)² + 4²) = z² + 6z + 25

Scomponi il fattore quadratico

z³ + 4z² + 13z − 50 = (z² + 6z + 25)(z − 2)

Radice reale

r = 2

Risposta

r = 2

Verifica con la somma delle radici: z₁ + z₂ + r = −6 + 2 = −4 = −(4).

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −41,54 °

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·60·47·10⁻⁶) = 56,44 Ω

Correnti di ramo

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

IR = V/R = 120/50 = 2,4 A
IX = V/XC = 120/56,44 = 2,126 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) = √(2,4² + 2,126²) = 3,206 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(2,126/2,4) = −41,54°

Risposta

φ = −41,54°
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 65 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|.

Reattanze

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,02 = 12,57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Impedenza

In serie le impedenze si sommano come numeri complessi: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (−21,3)²) = 26,05 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 50/26,05 = 1,919 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 1,919·33,86 = 65 V

Risposta

VC = 65 V
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 180,6 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) = 27000/(230·0,65) = 180,6 A

Risposta

I = 180,6 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Pmax = 18 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* = 8 − j15 Ω

Potenza massima

I = Vs/(2Rs) = 24/16 = 1,5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·8) = 18 W

Risposta

Pmax = 18 W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: f1 = 44,14 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/(4·4²)) = 1,008

Frequenza di mezza potenza inferiore

f1 = 50000·(1,008 − 0,125) = 44139 Hz = 44,14 kHz

Risposta

f1 = 44,14 kHz

Quella superiore è f₂ = 56,64 kHz; verifica: f₂ − f₁ = 12,5 kHz = f₀/Q.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: R = 69,12 Ω

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 serie

BW = R/(2πL)

Resistenza

R = 2π·0,00022·50000 = 69,12 Ω

Risposta

R = 69,12 Ω
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 109,7 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 = √3·480·150 = 124,7 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 124,7·0,88 = 109,7 kW

Risposta

P = 109,7 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 188,4 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 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 28,42 kvar

Capacità per fase

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

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9472/(314,2·400²) = 188,4 µF

Risposta

Cph = 188,4 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: W = 0,1598 mJ

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 = 10 mH / 50 Ω = 0,2 ms
i(∞) = Vs/R = 9/50 = 0,18 A

Corrente all’istante dato

i(t) = 0,18·(1 − e−1/0,2) = 0,1788 A

Energia immagazzinata

W = ½·L·i² = ½·10·0,1788² = 0,1598 mJ

Risposta

W = 0,1598 mJ
12.Transitori RC e RL

Risposta: t = 55,63 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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 33 µF = 108,9 ms
vC(t) = 5 + (15 − 5)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

11 = 5 + (10)·e−t/τ → e−t/τ = (11 − 5)/(15 − 5) = 0,6
t = τ·ln((15 − 5)/(11 − 5)) = 108,9·ln(1,667) = 55,63 ms

Risposta

t = 55,63 ms
13.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 0,3333 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​ = 12 ΩCORTOR2​2 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 12 = 13,5 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​2 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) = 18·2/(6+2) = 4,5 V
IN​0,3333 ARth​13,5 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 = 4,5/13,5 = 0,3333 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 14,29 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​ = 25 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​4 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 = 25·4/(25+4) = 3,448 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,448 + 6 = 9,448 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​4 ΩAIs​2 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) = 4,966 + 2·3,448 = 11,86 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,86 + 2·6 = 23,86 V
Rth​ = 9,448 Ω+−Vth​23,86 VRL​15 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) = 23,86/(9,448 + 15) = 0,976 A
PL = IL²·RL = 0,976²·15 = 14,29 W
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |G(jω)| = 25,74 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(j3)| = 5700/(√(3² + 15²)·√(3² + 19²)) = 5700/(15,3·19,24) = 19,37

Risultato

20·log₁₀(19,37) = 25,74 dB

Risposta

|G(jω)| = 25,74 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: K = 120,3

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/2)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(2·10) = 4,472 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 100)) = K/(2·10·(2 + 10)) = K/240

Guadagno richiesto

240/K = 106/20 = 1,995
K = 240/1,995 = 120,3

Risposta

K = 120,3

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