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
ReIm11−1−122−2−233−3−3θz

Scrivi z = 4∠140° in forma cartesiana a + jb e dai la parte immaginaria b.

r = 4θ = 140°
b =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−233−3−3θz

Trova la parte reale di (3 − j)³.

z = 3 − jn = 3
Re(z³) =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
10 V1000 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 4,7 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 10 V (efficaci), 1000 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 10 V (rms)f = 1000 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
I = A
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 2 ΩL = 1 mHC = 0,022 µF

Un circuito RLC serie ha R = 2 Ω, L = 1 mH e C = 0,022 µF. Trova il suo fattore di qualità Q in risonanza.

R = 2 ΩL = 1 mHC = 0,022 µF
Q =
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 27 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 27 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 240 V. Trova la corrente di linea I.

P = 27 kWpf = 0,7V = 240 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
24 V1000 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j40 ΩZL​ = ?

Un generatore da 24 V (efficaci), 1000 Hz ha un’impedenza interna Zs = 50 + j40 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 = 1000 HzZs = 50 + j40 Ω
Pmax = W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V47 Ω100 mH100 nF

Un circuito RLC serie ha R = 47 Ω, L = 100 mH e C = 100 nF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 47 ΩL = 100 mHC = 100 nF
Q =
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
C = 47 nFr = 1 ΩL = 22 µH

Un circuito risonante parallelo è fatto di un condensatore da 47 nF e una bobina da 22 µH con resistenza dell’avvolgimento di 1 Ω. In risonanza si comporta come un resistore, la sua resistenza dinamica è RD = L/(C·r). Trova RD in kΩ.

L = 22 µHC = 47 nFr = 1 Ω
RD = kΩ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M22 kW, η = 95%cos φ = 0,9

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 22 kW. A questo carico il suo rendimento è del 95% e il suo fattore di potenza è 0,9 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 690 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 22 kWη = 95%cos φ = 0,9VL = 690 V
IL = A
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 80 kW con un fattore di potenza di 0,8 in ritardo da una rete a 480 V (tensione concatenata) e 60 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,9 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 80 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​5 Vt = 0R = 33 ΩL33 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W(∞) immagazzinata nell’induttore una volta che il circuito si è stabilizzato, in mJ.

Vs = 5 VR = 33 ΩL = 33 mH
W(∞) = mJ
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = 4,7 kΩC?+−vC​

Un temporizzatore inizia a caricare un condensatore scarico attraverso un resistore da un’alimentazione di 12 V a t = 0. Deve scattare quando la tensione del condensatore raggiunge 6 V, esattamente 500 ms dopo l’avvio. Con R = 4,7 kΩ, trova la capacità C necessaria.

Vs = 12 VVth = 6 VT = 500 msR = 4,7 kΩ
C = µF
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAIs​1,5 ABRL​10 ΩIL​

Un carico RL = 10 Ω è collegato tra a–b. Sostituisci il resto del circuito con il suo equivalente di Thévenin e trova la corrente nel carico IL.

V1 = 24 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩRL = 10 Ω
IL = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​R = 1 kΩC = 100 nFvout​

Il filtro passa-basso RC mostrato ha R = 1 kΩ, C = 100 nF. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 320 Hz. Trova lo sfasamento φ di vout rispetto a vin, in gradi.

R = 1 kΩC = 100 nFf = 320 Hz
φ = °
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 + 3)(s + 5)). Trova il guadagno K che dà un margine di guadagno di 8 dB.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 5))GM = 8 dB
K =

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: b = 2,571

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 = 4·cos(140°) = −3,064
b = 4·sin(140°) = 2,571

Forma cartesiana

z = −3,064 + j2,571
b = 2,571

Risposta

b = 2,571
2.Numeri complessi

Risposta: Re(z³) = 18

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.

Potenze passo per passo

z² = (3 − j)(3 − j) = 8 − j6
z³ = (8 − j6)(3 − j) = 18 − j26

Verifica con De Moivre

z = 3,162∠−18,43° → z³ = 31,62∠−55,3°
Re(z³) = 18

Risposta

Re(z³) = 18
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,1064 A

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,02 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·4,7·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (91,8)²) = 93,95 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 10/93,95 = 0,1064 A

Risposta

I = 0,1064 A
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: Q = 106,6

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|.

Frequenza di risonanza

f0 = 1/(2π·√(0,001·0,022·10⁻⁶)) = 33932 Hz

Fattore di qualità

Q confronta la reattanza in risonanza con la resistenza: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/2)·√(0,001/(0,022·10⁻⁶)) = 106,6

Risposta

Q = 106,6
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 160,7 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) = 27000/(240·0,7) = 160,7 A

Risposta

I = 160,7 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Pmax = 2,88 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* = 50 − j40 Ω

Potenza massima

I = Vs/(2Rs) = 24/100 = 0,24 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·50) = 2,88 W

Risposta

Pmax = 2,88 W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 21,28

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).

Impedenza caratteristica

√(L/C) = √(0,1/1 × 10⁻⁷) = 1000 Ω

Fattore di qualità

Q = 1000/47 = 21,28

Risposta

Q = 21,28

La frequenza di risonanza è 1,592 kHz, quindi BW = f₀/Q = 74,8 Hz.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: RD = 0,4681 kΩ

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).

Resistenza dinamica

RD = 2,2 × 10⁻⁵/(4,7 × 10⁻⁸·1) = 468,1 Ω = 0,4681 kΩ

Verifica con Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 21,64, Q²·r = 468,1 Ω

Risposta

RD = 0,4681 kΩ
9.Sistemi trifase

Risposta: IL = 21,53 A

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 elettrica assorbita

Pin = Pout/η = 22/0,95 = 23,16 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 23158/(√3·690·0,9) = 21,53 A

Risposta

IL = 21,53 A
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 81,57 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 = 80·tan(acos 0,8) = 80·0,75 = 60 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 21,25 kvar

Capacità per fase

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

V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 7085/(377·480²) = 81,57 µF

Risposta

Cph = 81,57 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: W(∞) = 0,3788 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 = 33 mH / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 5/33 = 0,1515 A

Energia immagazzinata

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·33·0,1515² = 0,3788 mJ

Risposta

W(∞) = 0,3788 mJ
12.Transitori RC e RL

Risposta: C = 153,5 µF

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

6 = 12·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(12/(12 − 6))
τ = 500/0,6931 = 721,3 ms

Capacità

kΩ per µF dà millisecondi.

C = τ/R = 721,3/4,7 = 153,5 µF

Risposta

C = 153,5 µF
13.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 0,1391 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​ = 15 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 15 = 18,16 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 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) = 12·4/(15+4) = 2,526 V
IN​0,1391 ARth​18,16 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 = 2,526/18,16 = 0,1391 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,9775 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​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩCORTOR2​3 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 4 = 6,182 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​3 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) = 6,545 + 1,5·2,182 = 9,818 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,818 + 1,5·4 = 15,82 V
Rth​ = 6,182 Ω+−Vth​15,82 VRL​10 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) = 15,82/(6,182 + 10) = 0,9775 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: φ = −11,37 °

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/(1000·1 × 10⁻⁷) = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 320/1592 = 0,2011

Fase

φ = − atan(0,2011) = −11,37°

Risposta

φ = −11,37°
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: K = 47,77

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/3)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(3·5) = 3,873 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 25)) = K/(3·5·(3 + 5)) = K/120

Guadagno richiesto

120/K = 108/20 = 2,512
K = 120/2,512 = 47,77

Risposta

K = 47,77

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