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
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂w

Dati z₁ = 1,5∠−35° e z₂ = 0,5∠−140°, trova la parte reale di w = z₁/z₂.

z₁ = 1,5∠−35°z₂ = 0,5∠−140°
Re(w) =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Risolvi z² − 8z + 17 = 0. Le radici sono a ± jb; trova b > 0.

p = −8q = 17
b =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V50 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 50 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
1 Vf0​R = 20 ΩL = 10 mHC = 2,2 µF

Un circuito RLC serie è alimentato da un generatore da 1 V (efficaci) la cui frequenza è regolata sulla frequenza di risonanza del circuito. Trova la tensione efficace VL ai capi dell’induttore.

V = 1 V (rms)R = 20 ΩL = 10 mHC = 2,2 µF
VL = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
120 VZ20 + j15 ΩI

Un carico con impedenza Z = 20 + j15 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 120 V (efficaci). Trova la potenza attiva P che assorbe.

V = 120 VZ = 20 + j15 Ω
P = W
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 50 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,92. Trova la capacità C necessaria.

P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92V = 230 Vf = 50 Hz
C = µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
f|I|0,707120 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuito RLC serie risuona a 20 kHz con Q = 4. Trova esattamente la frequenza di mezza potenza inferiore f1, in kHz.

f0 = 20 kHzQ = 4
f1 = kHz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
C = 1 nFR = 10 ΩL = 470 µH

Un condensatore carico da 1 nF si scarica attraverso una bobina da 470 µH con resistenza serie totale di 10 Ω, quindi l’oscillazione si smorza lentamente. La sua ampiezza decade come e−Rt/(2L). Quanti cicli di oscillazione n passano prima che l’ampiezza si sia dimezzata? (Le perdite sono piccole, quindi la frequenza è f₀.)

L = 470 µHC = 1 nFR = 10 Ω
n =
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VZ = 7 + j24 Ωper fase

Un carico equilibrato a triangolo con un’impedenza di 7 + j24 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 415 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 415 VZ = 7 + j24 Ω per fase
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 150 kW con un fattore di potenza di 0,65 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 0,92 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 150 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
R = 50 Ωt = 0L22 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 3 A. A t = 0 l’interruttore chiude la maglia attraverso R e il generatore viene escluso, quindi la corrente dell’induttore decresce attraverso R. Quanto tempo serve perché la corrente scenda a 0,75 A? Trova t.

i(0) = 3 AR = 50 ΩL = 22 mH
t = ms
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​15 Vt = 0R = 2,2 kΩC10 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 = 20 ms.

Vs = 15 VR = 2,2 kΩC = 10 µFvC(0) = 4 Vt = 20 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAIs​1,5 ABRL​30 ΩIL​

Un carico RL = 30 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 = 6 VIs = 1,5 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩRL = 30 Ω
IL = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​C = 10 nFR = 47 kΩvout​

Il filtro passa-alto RC mostrato ha R = 47 kΩ, C = 10 nF. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 1 kHz. Trova lo sfasamento φ di vout rispetto a vin, in gradi.

R = 47 kΩC = 10 nFf = 1 kHz
φ = °
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (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) = 240/(s(s + 8)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.

L(s) = 240/(s(s + 8))
ωc = rad/s

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: Re(w) = −0,7765

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 e argomento di w

|w| = 1,5 / 0,5 = 3
θ = −35° − (−140)° = 105°

Forma cartesiana

Re(w) = 3·cos(105°) = −0,7765
Im(w) = 3·sin(105°) = 2,898
Re(w) = −0,7765

Risposta

Re(w) = −0,7765
2.Numeri complessi

Risposta: b = 1

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 = 64 − 68 = −4 < 0

Formula risolutiva

z = (8 ± j√4)/2 = 4 + j, 4 − j

Risposta

b = 1

Risposta

b = 1
3.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,3242 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,05 = 15,71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·10·10⁻⁶) = 318,3 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−302,6)²) = 308,5 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 100/308,5 = 0,3242 A

Risposta

I = 0,3242 A
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VL = 3,371 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|.

Risonanza

In risonanza le reattanze si annullano, quindi l’impedenza è semplicemente R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2,2·10⁻⁶) = 6742 rad/s
I = V/R = 1/20 = 0,05 A

Tensione ai capi dell’induttore

XL = ω₀L = 6742·0,01 = 67,42 Ω
VL = I·XL = 0,05·67,42 = 3,371 V

Risposta

VL = 3,371 V

Questo è Q = 3,371 volte la tensione di alimentazione.

5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: P = 460,8 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.

Corrente

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 120/25 = 4,8 A

Potenza attiva

P = I²·R = 4,8²·20 = 460,8 W

Risposta

P = 460,8 W
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: C = 1372 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 = 50·tan(41,41°) = 44,1 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(23,07°) = 21,3 kvar
QC = Q1 − Q2 = 22,8 kvar

Capacità

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

C = QC/(2πf·V²) = 22796/(2π·50·230²) = 1372 µF

Risposta

C = 1372 µF
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: f1 = 17,66 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 = 20000·(1,008 − 0,125) = 17656 Hz = 17,66 kHz

Risposta

f1 = 17,66 kHz

Quella superiore è f₂ = 22,66 kHz; verifica: f₂ − f₁ = 5 kHz = f₀/Q.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: n = 15,13

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).

Tempo di dimezzamento dell’ampiezza

t = 2·0,00047·ln 2/10 = 6,516 × 10⁻⁵ s

Numero di cicli

n = t·f0 = 6,516 × 10⁻⁵·232151 = 15,13

Risposta

n = 15,13

Scorciatoia: n = Q·ln 2/π con Q = 68,56.

9.Sistemi trifase

Risposta: P = 5,787 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.

Tensione di fase

Vph = VL = 415 V

Corrente di fase

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16,6 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·16,6²·7 = 5,787 kW

Risposta

P = 5,787 kW

Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,28, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.

10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 111,5 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 = 150·tan(acos 0,65) = 150·1,169 = 175,4 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,92) = 150·0,426 = 63,9 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 111,5 kvar

Risposta

QC = 111,5 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: t = 0,61 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.

Costante di tempo

τ = L/R = 22 mH / 50 Ω = 0,44 ms

Risolvi per il tempo

0,75 = 3·e−t/τ → t = τ·ln(3/0,75)
t = 0,44·ln(4) = 0,61 ms

Risposta

t = 0,61 ms
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 10,57 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 = 15 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 10 µF = 22 ms
vC(t) = 15 + (4 − 15)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(20) = 15 + (−11)·e−20/22 = 10,57 V

Risposta

vC = 10,57 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 1,613 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​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩCORTOR2​5 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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 3 = 4,429 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 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) = 10·5/(2+5) = 7,143 V
IN​1,613 ARth​4,429 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 = 7,143/4,429 = 1,613 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: IL = −0,2927 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​ = 8 ΩCORTOR2​12 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 8 = 11 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​12 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) = 4,5 + (−1,5)·3 = 0 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 0 + (−1,5)·8 = −12 V
Rth​ = 11 Ω−+Vth​12 VRL​30 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) = −12/(11 + 30) = −0,2927 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: φ = 18,71 °

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/(47000·1 × 10⁻⁸) = 2128 rad/s
fc = 338,6 Hz → f/fc = 1000/338,6 = 2,953

Fase

φ = 90° − atan(2,953) = 18,71°

Risposta

φ = 18,71°
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ωc = 14,5 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 − 57600 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·57600))/2 = 210,1
ωc = 14,5 rad/s

Risposta

ωc = 14,5 rad/s

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