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
ReIm22−2−244−4−4θz

Scrivi z = 4∠−155° in forma cartesiana a + jb e dai la parte reale a.

r = 4θ = −155°
a =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−4z₀z₁z₂

Le radici di zⁿ = w con n = 3 e w = 64∠−90° sono zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2. Trova la parte reale di z₂.

w = 64∠−90°n = 3k = 2
Re(z₂) =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V1000 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 10 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 1000 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 100 V (rms)f = 1000 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 10 µF
φ = °
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
230 V100 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 2,2 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 100 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 2,2 µF
VC = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
120 VR + jXP = 990 W16,5 A

Un carico induttivo assorbe 16,5 A e 990 W da un’alimentazione monofase da 120 V (efficaci). Modellalo come una resistenza R in serie con una reattanza X. Trova X.

V = 120 VI = 16,5 AP = 990 W
X = Ω
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
10 V50 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j5 ΩZL​ = ?

Un generatore da 10 V (efficaci), 50 Hz ha un’impedenza interna Zs = 25 + j5 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Il carico per la massima potenza è realizzato con un resistore in serie a un condensatore. Trova la capacità C.

Vs = 10 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j5 Ω
C = µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V100 Ω22 mH100 nF

Un circuito RLC serie ha R = 100 Ω, L = 22 mH e C = 100 nF. Trova la sua larghezza di banda BW in Hz.

R = 100 ΩL = 22 mHC = 100 nF
BW = Hz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
V5 ΩLC = ?

Progetta un filtro RLC serie con una resistenza totale di 5 Ω, una frequenza di risonanza di 10 kHz e una larghezza di banda di 400 Hz. Trova la capacità C in nF.

R = 5 Ωf0 = 10 kHzBW = 400 Hz
C = nF
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = 80 Acos φ = 0,9in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 80 A da una rete con una tensione concatenata di 480 V. Il fattore di potenza è 0,9 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 480 VIL = 80 Acos φ = 0,9
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 250 kW con un fattore di potenza di 0,8 in ritardo da una rete a 690 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 = 250 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​9 Vt = 0R = 100 ΩL47 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 = 1 ms.

Vs = 9 VR = 100 ΩL = 47 mHt = 1 ms
vL = V
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = ?C100 µF+−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 9 V, esattamente 50 ms dopo l’avvio. Con C = 100 µF, trova la resistenza R necessaria.

Vs = 12 VVth = 9 VT = 50 msC = 100 µF
R = kΩ
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAab

Trova la resistenza di Thévenin Rth vista dai morsetti a–b.

V1 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAIs​6 ABRL​12 ΩIL​

Un carico RL = 12 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 18 VIs = 6 AR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩRL = 12 Ω
PL = W
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 4

Trova la fase ∠G(jω) di G(s) = 49(s + 14)/(s(s + 3)) a ω = 4 rad/s, in gradi.

G(s) = 49(s + 14)/(s(s + 3))ω = 4 rad/s
∠G(jω) = °
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−40−200204060ω (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) = 112/(s(s + 8)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.

L(s) = 112/(s(s + 8))
ωc = rad/s

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: a = −3,625

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(−155°) = −3,625
b = 4·sin(−155°) = −1,69

Forma cartesiana

z = −3,625 − j1,69
a = −3,625

Risposta

a = −3,625
2.Numeri complessi

Risposta: Re(z₂) = −3,464

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

641/3 = 4

Argomento della radice

θ₂ = (−90° + 360°·2)/3 = 210° → −150°

Forma cartesiana

z₂ = 4·(cos −150° + j sin −150°) = −3,464 − j2
Re(z₂) = −3,464

Risposta

Re(z₂) = −3,464

Le 3 radici giacciono sulla circonferenza di raggio 4, a distanza angolare di 120°.

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = 61,33 °

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/(6283·10·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (109,7)²) = 125,1 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(109,7/60) = 61,33°

Risposta

φ = 61,33°
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 262,3 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 = 628,3·0,15 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·2,2·10⁻⁶) = 723,4 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−629,2)²) = 634,2 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 230/634,2 = 0,3626 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 0,3626·723,4 = 262,3 V

Risposta

VC = 262,3 V
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: X = 6,298 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 = 990/16,5² = 3,636 Ω

Reattanza dall’impedenza

|Z| = V/I = 120/16,5 = 7,273 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(7,273² − 3,636²) = 6,298 Ω

Risposta

X = 6,298 Ω
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 636,6 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.

Adattamento coniugato

La reattanza del carico annulla la reattanza del generatore, e la resistenza del carico è uguale alla resistenza del generatore.

ZL = Zs* = 25 − j5 Ω

Capacità

XC = 5 Ω → C = 1/(2π·50·5) = 636,6 µF

Risposta

C = 636,6 µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: BW = 723,4 Hz

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 = 100/0,022 = 4545 rad/s

Larghezza di banda in Hz

BW = 4545/(2π) = 723,4 Hz = 723,4 Hz

Risposta

BW = 723,4 Hz

Con f₀ = 3,393 kHz si ottiene Q = 4,69.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: C = 127,3 nF

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).

Induttanza dalla larghezza di banda

L = R/(2π·BW) = 5/(2π·400) = 0,001989 H

Capacità dalla frequenza di risonanza

C = 1/((2π·10000)²·0,001989) = 1,273 × 10⁻⁷ F = 127,3 nF

Risposta

C = 127,3 nF

Q = f₀/BW = 25.

9.Sistemi trifase

Risposta: P = 59,86 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 = √3·480·80 = 66,51 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 66,51·0,9 = 59,86 kW

Risposta

P = 59,86 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 66,42 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 0,8) = 250·0,75 = 187,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 66,42 kvar

Risposta

QC = 66,42 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: vL = 1,072 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 = 47 mH / 100 Ω = 0,47 ms
i(∞) = Vs/R = 9/100 = 0,09 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 = 9·e−1/0,47 = 1,072 V

Risposta

vL = 1,072 V
12.Transitori RC e RL

Risposta: R = 0,3607 kΩ

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

9 = 12·(1 − e−50/τ) → τ = 50/ln(12/(12 − 9))
τ = 50/1,386 = 36,07 ms

Resistenza

kΩ per µF dà millisecondi.

R = τ/C = 36,07/100 = 0,3607 kΩ

Risposta

R = 0,3607 kΩ
13.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 22,73 Ω

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​ = 5 ΩR3​ = 20 ΩCORTOR2​6 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 = 5·6/(5+6) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 20 = 22,73 Ω
14.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 79,72 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​ = 6 ΩR3​ = 2 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 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 2 = 5,75 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAIs​6 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) = 11,25 + 6·3,75 = 33,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33,75 + 6·2 = 45,75 V
Rth​ = 5,75 Ω+−Vth​45,75 VRL​12 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) = 45,75/(5,75 + 12) = 2,577 A
PL = IL²·RL = 2,577²·12 = 79,72 W
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ∠G(jω) = −127,2 °

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(4/14) − 90° − atan(4/3) = 15,95° − 90° − 53,13°

Risultato

∠G(j4) = −127,2°

Risposta

∠G(jω) = −127,2°
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ωc = 9,191 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 + 64ω² − 12544 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·12544))/2 = 84,48
ωc = 9,191 rad/s

Risposta

ωc = 9,191 rad/s

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