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 + j9 in forma esponenziale r·ejθ. Dai θ in radianti, tra −π e π.

z = −9 + j9
θ = rad
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂

Le radici di zⁿ = w con n = 3 e w = 8∠−90° sono zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2. Trova l’argomento di z₁ in gradi, tra −180° e 180°.

w = 8∠−90°n = 3k = 1
θ₁ = °
3.Impedenza AC e fasoriMedia
230 V200 HzR = 30 ΩC = 22 µFI

Un resistore e un condensatore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 200 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
24 V100 HzR1​ = 30 ΩR2​ = 60 ΩC = 22 µF

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 100 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 24 V (rms)f = 100 HzR1 = 30 ΩR2 = 60 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 2 kWQ = ?Sφ

Un motore monofase assorbe 2 kW con un fattore di potenza di 0,85 induttivo da un’alimentazione da 400 V. Trova la potenza reattiva Q che assorbe.

P = 2 kWpf = 0,85V = 400 V
Q = kvar
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
230 V60 Hzcarico24 kW, 0,7C470 µFI

Un carico monofase assorbe 24 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 60 Hz. Un condensatore da 470 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova il nuovo fattore di potenza cos φ visto dall’alimentazione.

P = 24 kWpf1 = 0,7V = 230 Vf = 60 HzC = 470 µF
cos φ =
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V1 Ω1 mH2,2 µF

Un circuito RLC serie ha R = 1 Ω, L = 1 mH e C = 2,2 µF. Trova la sua larghezza di banda BW in Hz.

R = 1 ΩL = 1 mHC = 2,2 µF
BW = Hz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
VR = ?220 µHC

Un circuito risonante serie usa un induttore da 220 µH. Quale resistenza serie totale R dà una larghezza di banda di 1 kHz?

L = 220 µHBW = 1 kHz
R = Ω
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M37 kW, η = 93%cos φ = 0,82

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 37 kW. A questo carico il suo rendimento è del 93% e il suo fattore di potenza è 0,82 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 415 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 37 kWη = 93%cos φ = 0,82VL = 415 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 0,65 in ritardo da una rete a 400 V (tensione concatenata) e 50 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. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 80 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
R = 22 Ωt = 0L33 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 1,5 A. A t = 0 l’interruttore chiude la maglia attraverso R e il generatore viene escluso, quindi la corrente dell’induttore decresce attraverso R. Trova la corrente i in t = 2 ms.

i(0) = 1,5 AR = 22 ΩL = 33 mHt = 2 ms
i = A
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = 4,7 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 2 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 7 V? Trova t.

Vs = 12 VR = 4,7 kΩC = 220 µFvC(0) = 2 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​3 ABab

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

V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,1110100−80−60−40−200ω (rad/s)ω = 5

Trova il modulo esatto |G(jω)| di G(s) = 9/((s + 1)(s + 9)) a ω = 5 rad/s, in dB.

G(s) = 9/((s + 1)(s + 9))ω = 5 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 280/(s(s + 4)(s + 10)). Trova il margine di guadagno GM in dB.

L(s) = 280/(s(s + 4)(s + 10))
GM = dB

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = 2,356 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 + 81) = 12,73

Argomento in radianti

θ = 135° = 135·π/180 = 2,356 rad

Forma esponenziale

z = 12,73·ej2,356

Risposta

θ = 2,356 rad
2.Numeri complessi

Risposta: θ₁ = 90 °

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

81/3 = 2

Argomento della radice

θ₁ = (−90° + 360°·1)/3 = 90°

Argomento

θ₁ = 90°

Risposta

θ₁ = 90°

Le 3 radici giacciono sulla circonferenza di raggio 2, a distanza angolare di 120°.

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 23,09 Ω

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|.

Reattanza

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·200·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω

Correnti di ramo

Entrambi i rami sono collegati direttamente all’alimentazione, quindi ognuno vede l’intera tensione V.

IR = V/R = 230/30 = 7,667 A
IX = V/XC = 230/36,17 = 6,359 A

Corrente totale

La corrente nel resistore è in fase con V e la corrente reattiva è sfasata di 90°, quindi si sommano come i cateti di un triangolo rettangolo.

I = √(IR² + IX²) = √(7,667² + 6,359²) = 9,96 A

Impedenza

|Z| = V/I = 230/9,96 = 23,09 Ω

Risposta

|Z| = 23,09 Ω
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 71,87 Ω

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|.

Reattanza

XC = 1/(2π·100·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω

Combinazione in parallelo

Moltiplica numeratore e denominatore per il complesso coniugato per separare Zp in parte reale e parte immaginaria.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 35,55 − j29,48 Ω

Impedenza totale

Z = 30 + 35,55 − j29,48 = 65,55 − j29,48 Ω
|Z| = √(65,55² + 29,48²) = 71,87 Ω

Risposta

|Z| = 71,87 Ω
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Q = 1,239 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 = 2·0,6197 = 1,239 kvar

Risposta

Q = 1,239 kvar
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,8462

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 = 24·tan(arccos 0,7) = 24,48 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·470·10⁻⁶ = 9373 var = 9,373 kvar
Q2 = 24,48 − 9,373 = 15,11 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(24² + 15,11²) = 28,36 kVA

Nuovo fattore di potenza

cos φ = P/S2 = 24/28,36 = 0,8462

Risposta

cos φ = 0,8462
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: BW = 159,2 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 = 1/0,001 = 1000 rad/s

Larghezza di banda in Hz

BW = 1000/(2π) = 159,2 Hz = 159,2 Hz

Risposta

BW = 159,2 Hz

Con f₀ = 3,393 kHz si ottiene Q = 21,32.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: R = 1,382 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·0,00022·1000 = 1,382 Ω

Risposta

R = 1,382 Ω
9.Sistemi trifase

Risposta: IL = 67,5 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 = 37/0,93 = 39,78 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 39785/(√3·415·0,82) = 67,5 A

Risposta

IL = 67,5 A
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 1338 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 0,65) = 80·1,169 = 93,53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,95) = 80·0,3287 = 26,29 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 67,24 kvar

Capacità per fase

In una batteria a stella ogni condensatore è collegato tra una linea e il centro stella.

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 22412/(314,2·230,9²) = 1338 µF

Risposta

Cph = 1338 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,3954 A

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 = 33 mH / 22 Ω = 1,5 ms

Decadimento della corrente

i(t) = 1,5·e−2/1,5 = 0,3954 A

Risposta

i = 0,3954 A
12.Transitori RC e RL

Risposta: t = 716,7 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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 220 µF = 1034 ms
vC(t) = 12 + (2 − 12)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

7 = 12 + (−10)·e−t/τ → e−t/τ = (7 − 12)/(2 − 12) = 0,5
t = τ·ln((2 − 12)/(7 − 12)) = 1034·ln(2) = 716,7 ms

Risposta

t = 716,7 ms
13.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 0,3158 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​ = 3 ΩR3​ = 10 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 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 10 = 11,88 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 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) = 6·5/(3+5) = 3,75 V
IN​0,3158 ARth​11,88 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 = 3,75/11,88 = 0,3158 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 3,093 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​ = 10 ΩR3​ = 20 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 = 10·3/(10+3) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 20 = 22,31 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​3 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) = 2,077 + 3·2,308 = 9 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9 + 3·20 = 69 V
IN​3,093 ARth​22,31 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 = 69/22,31 = 3,093 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |G(jω)| = −15,32 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.

Moltiplica i moduli

|G(j5)| = 9/(√(5² + 1²)·√(5² + 9²)) = 9/(5,099·10,3) = 0,1714

Risultato

20·log₁₀(0,1714) = −15,32 dB

Risposta

|G(jω)| = −15,32 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: GM = 6,021 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/4)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(4·10) = 6,325 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 100)) = K/(4·10·(4 + 10)) = K/560

Margine di guadagno

GM = 20·log₁₀(560/280) = 6,021 dB

Risposta

GM = 6,021 dB

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