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

Trova l’argomento θ di z = −3 − j3 in gradi, come valore principale compreso tra −180° e 180°.

z = −3 − j3
θ = °
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

L’equazione z² + 3z + 18,25 = 0 ha due radici complesse. Trova il loro modulo |z|.

p = 3q = 18,25
|z| =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V1000 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 47 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 1000 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 47 µF
I = A
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 20 ΩL = 100 mHC = 0,47 µF

Un circuito RLC serie ha R = 20 Ω, L = 100 mH e C = 0,47 µF. Trova la sua larghezza di banda B (l’ampiezza della banda tra le frequenze a metà potenza), in Hz.

R = 20 ΩL = 100 mHC = 0,47 µF
B = Hz
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 35 kWQ = ?Sφ

Un motore monofase assorbe 35 kW con un fattore di potenza di 0,85 induttivo da un’alimentazione da 240 V. Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

P = 35 kWpf = 0,85V = 240 V
Q = kvar
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
50 V60 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j5 ΩZL​ = ?

Un generatore da 50 V (efficaci), 60 Hz ha un’impedenza interna Zs = 10 + j5 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.

Vs = 50 V (rms)f = 60 HzZs = 10 + j5 Ω
Pmax = W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
C = 100 nF+−1,25 VL = 100 mHiL​

Un condensatore da 100 nF caricato a 5 V oscilla con un induttore ideale da 100 mH. Trova l’energia WL immagazzinata nell’induttore nell’istante in cui la tensione sul condensatore è 1,25 V, in µJ.

C = 100 nFV0 = 5 VvC = 1,25 V
WL = µJ
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
VR = ?10 µHC

Un circuito risonante serie usa un induttore da 10 µH. Quale resistenza serie totale R dà una larghezza di banda di 10 kHz?

L = 10 µHBW = 10 kHz
R = Ω
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M30 kW, η = 93%cos φ = 0,8

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 30 kW. A questo carico il suo rendimento è del 93% e il suo fattore di potenza è 0,8 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 480 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 30 kWη = 93%cos φ = 0,8VL = 480 V
IL = A
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 75 kW con un fattore di potenza di 0,72 in ritardo da una rete a 415 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. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 75 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​24 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 3,3 kΩC47 µF+−vC​

Il generatore Vₛ carica il condensatore attraverso R₁, e R₂ è collegato in parallelo a C. Il condensatore è scarico quando l’interruttore si chiude in t = 0. Trova la costante di tempo τ del circuito dopo la chiusura dell’interruttore.

Vs = 24 VR1 = 1 kΩR2 = 3,3 kΩC = 47 µF
τ = ms
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 6,8 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 10 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 7,5 V? Trova t.

Vs = 5 VR = 6,8 kΩC = 68 µFvC(0) = 10 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 20 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAIs​0,5 ABRL​8 ΩIL​

Un carico RL = 8 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 = 12 VIs = 0,5 AR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 ΩRL = 8 Ω
IL = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​C = 47 nFR = 10 kΩvout​

Il filtro passa-alto RC mostrato ha R = 10 kΩ, C = 47 nF. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 170 Hz. Trova lo sfasamento φ di vout rispetto a vin, in gradi.

R = 10 kΩC = 47 nFf = 170 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) = 112/(s(s + 5)(s + 9)). Trova il margine di guadagno GM in dB.

L(s) = 112/(s(s + 5)(s + 9))
GM = dB

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = −135 °

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 = −3, b = −3 → III

Angolo di riferimento

α = atan(3/3) = 45°

Argomento

θ = −(180° − α) = −135°

Risposta

θ = −135°

In forma polare z = 4,243∠−135°.

2.Numeri complessi

Risposta: |z| = 4,272

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.

Discriminante

p² − 4q = 9 − 73 = −64 < 0

Formula risolutiva

z = (−3 ± j√64)/2 = −1,5 + j4, −1,5 − j4

Risposta

|z| = √((−1,5)² + 4²) = √18,25 = 4,272

Risposta

|z| = 4,272
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,383 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 = 6283·0,05 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·47·10⁻⁶) = 3,386 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (310,8)²) = 313,3 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 120/313,3 = 0,383 A

Risposta

I = 0,383 A
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: B = 31,83 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|.

Frequenza di risonanza

f0 = 1/(2π·√(0,1·0,47·10⁻⁶)) = 734,1 Hz

Fattore di qualità

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0,1/(0,47·10⁻⁶)) = 23,06

Larghezza di banda

B = f0/Q = 734,1/23,06 = 31,83 Hz

Risposta

B = 31,83 Hz
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 21,69 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.

Angolo

φ = arccos(0,85) = 31,79°, tan φ = 0,6197

Potenza reattiva

Q = P·tan φ = 35·0,6197 = 21,69 kvar

Risposta

Q = 21,69 kvar
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Pmax = 62,5 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* = 10 − j5 Ω

Potenza massima

I = Vs/(2Rs) = 50/20 = 2,5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 50²/(4·10) = 62,5 W

Risposta

Pmax = 62,5 W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: WL = 1,172 µJ

Risonanza LC: un condensatore carico collegato a un induttore fa passare una corrente che lo carica nel verso opposto: l’energia oscilla tra il campo elettrico di C (½Cv²) e il campo magnetico di L (½Li²) alla frequenza naturale f0 = 1/(2π√(LC)). Senza resistenza l’energia totale ½CV0² resta costante, quindi la corrente di picco è Imax = V0√(C/L). Un periodo è T = 1/f0; l’energia passa da C a L in un quarto di esso.

Energia totale

½·1 × 10⁻⁷·5² = 1,25 × 10⁻⁶ J

Energia rimasta nel condensatore

½·1 × 10⁻⁷·1,25² = 7,813 × 10⁻⁸ J

Energia nell’induttore

WL = 1,172 × 10⁻⁶ J = 1,172 µJ

Risposta

WL = 1,172 µJ
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: R = 0,6283 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·1 × 10⁻⁵·10000 = 0,6283 Ω

Risposta

R = 0,6283 Ω
9.Sistemi trifase

Risposta: IL = 48,5 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 = 30/0,93 = 32,26 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 32258/(√3·480·0,8) = 48,5 A

Risposta

IL = 48,5 A
10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 35,96 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 = 75·tan(acos 0,72) = 75·0,9639 = 72,29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,9) = 75·0,4843 = 36,32 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 35,96 kvar

Risposta

QC = 35,96 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: τ = 36,07 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.

Equivalente di Thévenin visto dal condensatore

Cortocircuita il generatore per trovare Rth; apri il condensatore per trovare la tensione a cui si stabilizzerà.

Rth = R1 ∥ R2 = 1·3,3/(1 + 3,3) = 0,7674 kΩ
vC(∞) = 24·3,3/(1 + 3,3) = 18,42 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 0,7674·47 = 36,07 ms

Risposta

τ = 36,07 ms
12.Transitori RC e RL

Risposta: t = 320,5 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) = 10 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 68 µF = 462,4 ms
vC(t) = 5 + (10 − 5)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

7,5 = 5 + (5)·e−t/τ → e−t/τ = (7,5 − 5)/(10 − 5) = 0,5
t = τ·ln((10 − 5)/(7,5 − 5)) = 462,4·ln(2) = 320,5 ms

Risposta

t = 320,5 ms
13.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 6,857 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​ = 4 ΩCORTOR2​20 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 4 = 12,57 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​20 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) = 12·20/(15+20) = 6,857 V
14.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,5 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​ = 20 ΩR3​ = 25 ΩCORTOR2​10 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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 25 = 31,67 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAIs​0,5 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) = 4 + 0,5·6,667 = 7,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,333 + 0,5·25 = 19,83 V
Rth​ = 31,67 Ω+−Vth​19,83 VRL​8 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) = 19,83/(31,67 + 8) = 0,5 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: φ = 63,34 °

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/(10000·4,7 × 10⁻⁸) = 2128 rad/s
fc = 338,6 Hz → f/fc = 170/338,6 = 0,502

Fase

φ = 90° − atan(0,502) = 63,34°

Risposta

φ = 63,34°
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: GM = 15 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.

Attraversamento della fase

(ω/5)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(5·9) = 6,708 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 81)) = K/(5·9·(5 + 9)) = K/630

Margine di guadagno

GM = 20·log₁₀(630/112) = 15 dB

Risposta

GM = 15 dB

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