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

Scrivi z = −9 + j3 in forma esponenziale r·ejθ. Dai θ in radianti, tra −π e π.

z = −9 + j3
θ = rad
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

Una radice di z³ − z² − 12z − 40 = 0 è z₁ = −2 + j2. I coefficienti sono reali. Trova la radice reale r.

z₁ = −2 + j2
r =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V200 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 2,2 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 200 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF
I = A
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 10 ΩL = 20 mHC = 0,047 µF

Un circuito RLC serie ha R = 10 Ω, L = 20 mH e C = 0,047 µF. Trova la sua larghezza di banda B (l’ampiezza della banda tra le frequenze a metà potenza), in Hz.

R = 10 ΩL = 20 mHC = 0,047 µF
B = Hz
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 VR + jXP = 1512 W7 A

Un carico induttivo assorbe 7 A e 1512 W da un’alimentazione monofase da 240 V (efficaci). Modellalo come una resistenza R in serie con una reattanza X. Trova R.

V = 240 VI = 7 AP = 1512 W
R = Ω
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 10 kW con un fattore di potenza di 0,6 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 60 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,98. Trova la capacità C necessaria.

P = 10 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,98V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V1 kΩ10 mH47 nF

Un circuito RLC parallelo ha R = 1 kΩ, L = 10 mH e C = 47 nF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 1 kΩL = 10 mHC = 47 nF
Q =
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
V5 Ω4,7 mH4,7 nF10 mA

Un circuito RLC serie (R = 5 Ω, L = 4,7 mH, 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 = 5 ΩL = 4,7 mHC = 4,7 nFIm = 10 mA
Ecycle = nJ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M18,5 kW, η = 88%cos φ = 0,9

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 18,5 kW. A questo carico il suo rendimento è del 88% e il suo fattore di potenza è 0,9 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 400 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 18,5 kWη = 88%cos φ = 0,9VL = 400 V
IL = A
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 250 kW con un fattore di potenza di 0,72 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 0,95 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 = 0,72pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R = 15 ΩL33 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova la tensione vL ai capi dell’induttore in t = 5 ms.

Vs = 15 VR = 15 ΩL = 33 mHt = 5 ms
vL = V
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = 1 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 4 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 40 ms.

Vs = 12 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 4 Vt = 40 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAIs​1,5 ABab

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

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 20

Trova la fase ∠G(jω) di G(s) = 49(s + 9)/(s(s + 11)) a ω = 20 rad/s, in gradi.

G(s) = 49(s + 9)/(s(s + 11))ω = 20 rad/s
∠G(jω) = °
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 + 7)). Trova il guadagno K che dà un margine di guadagno di 6 dB.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 7))GM = 6 dB
K =

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = 2,82 rad

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.

Modulo

r = √(81 + 9) = 9,487

Argomento in radianti

θ = 161,6° = 161,6·π/180 = 2,82 rad

Forma esponenziale

z = 9,487·ej2,82

Risposta

θ = 2,82 rad
2.Numeri complessi

Risposta: r = 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.

Coppia coniugata

z₂ = −2 − j2
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·(−2)·z + ((−2)² + 2²) = z² + 4z + 8

Scomponi il fattore quadratico

z³ − z² − 12z − 40 = (z² + 4z + 8)(z − 5)

Radice reale

r = 5

Risposta

r = 5

Verifica con la somma delle radici: z₁ + z₂ + r = −4 + 5 = 1 = −(−1).

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,328 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,05 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·2,2·10⁻⁶) = 361,7 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−298,9)²) = 304,8 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 100/304,8 = 0,328 A

Risposta

I = 0,328 A
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: B = 79,58 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·√(0,02·0,047·10⁻⁶)) = 5191 Hz

Fattore di qualità

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,02/(0,047·10⁻⁶)) = 65,23

Larghezza di banda

B = f0/Q = 5191/65,23 = 79,58 Hz

Risposta

B = 79,58 Hz
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: R = 30,86 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 = 1512/7² = 30,86 Ω

Risposta

R = 30,86 Ω
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 520,5 µF

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 = 10·tan(53,13°) = 13,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(11,48°) = 2,031 kvar
QC = Q1 − Q2 = 11,3 kvar

Capacità

Un condensatore in parallelo all’alimentazione fornisce Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 11303/(2π·60·240²) = 520,5 µF

Risposta

C = 520,5 µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 2,168

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) = 46127 rad/s

Fattore di qualità

Q = R/(ω₀L) = 1000/(46127·0,01) = 2,168

Risposta

Q = 2,168

La larghezza di banda è 1/(2πRC) = 3,386 kHz.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Ecycle = 7,383 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 = ½·0,0047·0,01² = 2,35 × 10⁻⁷ J

Fattore di qualità

Q = (1/5)·√(0,0047/4,7 × 10⁻⁹) = 200

Energia persa per ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·2,35 × 10⁻⁷/200 = 7,383 × 10⁻⁹ J = 7,383 nJ
verifica: ½·0,01²·5/33863 = 7,383 × 10⁻⁹ J

Risposta

Ecycle = 7,383 nJ
9.Sistemi trifase

Risposta: IL = 33,72 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 = 18,5/0,88 = 21,02 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 21023/(√3·400·0,9) = 33,72 A

Risposta

IL = 33,72 A
10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 158,8 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 0,72) = 250·0,9639 = 241 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 158,8 kvar

Risposta

QC = 158,8 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: vL = 1,545 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.

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 / 15 Ω = 2,2 ms
i(∞) = Vs/R = 15/15 = 1 A

Tensione sull’induttore

In t = 0 tutta la tensione di alimentazione è ai capi dell’induttore; poi decade a zero.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 15·e−5/2,2 = 1,545 V

Risposta

vL = 1,545 V
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 10,7 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) = 4 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 1 kΩ · 22 µF = 22 ms
vC(t) = 12 + (4 − 12)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(40) = 12 + (−8)·e−40/22 = 10,7 V

Risposta

vC = 10,7 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 1,091 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​ = 20 ΩR3​ = 10 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 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 10 = 11,82 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 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) = 12·2/(20+2) = 1,091 V
14.Thévenin e Norton

Risposta: IN = −1,239 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​ = 4 ΩR3​ = 30 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 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 30 = 32,86 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​10 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) = 8,571 + (−1,5)·2,857 = 4,286 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,286 + (−1,5)·30 = −40,71 V
IN​1,239 ARth​32,86 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 = −40,71/32,86 = −1,239 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ∠G(jω) = −85,42 °

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.

Somma gli angoli

∠G = atan(20/9) − 90° − atan(20/11) = 65,77° − 90° − 61,19°

Risultato

∠G(j20) = −85,42°

Risposta

∠G(jω) = −85,42°
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: K = 63,15

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/7) = 1 → ω180 = √(2·7) = 3,742 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 49)) = K/(2·7·(2 + 7)) = K/126

Guadagno richiesto

126/K = 106/20 = 1,995
K = 126/1,995 = 63,15

Risposta

K = 63,15

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