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
ReIm55−5−51010−10−10z₁z₂w

Dati z₁ = 4∠30° e z₂ = 4∠20°, trova la parte reale di w = z₁·z₂.

z₁ = 4∠30°z₂ = 4∠20°
Re(w) =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Una radice di z³ − 3z² − 23z + 85 = 0 è z₁ = 4 + j. I coefficienti sono reali. Trova la radice reale r.

z₁ = 4 + j
r =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
50 V500 HzR = 25 ΩL = 20 mHI

Un resistore e un induttore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 500 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩL = 20 mH
φ = °
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
24 V100 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 100 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 100 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 100 µF
VC = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 V14 kW, 0,6525 kW, 0,85I

Due carichi sono collegati in parallelo a un’alimentazione monofase da 240 V: un carico da 4 kW con fattore di potenza 0,65 induttivo e un carico da 5 kW con fattore di potenza 0,85 capacitivo. Trova il fattore di potenza complessivo cos φ visto dall’alimentazione.

V = 240 VP1 = 4 kW, pf1 = 0,65 in ritardoP2 = 5 kW, pf2 = 0,85 capacitivo
cos φ =
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
400 V50 Hzcarico28 kW, 0,8C220 µFI = ?

Un carico monofase assorbe 28 kW con un fattore di potenza di 0,8 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 50 Hz. Un condensatore da 220 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova la nuova corrente di linea I.

P = 28 kWpf1 = 0,8V = 400 Vf = 50 HzC = 220 µF
I = A
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
f|I|0,70715 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuito RLC serie risuona a 5 kHz con Q = 2. Trova esattamente la frequenza di mezza potenza inferiore f1, in kHz.

f0 = 5 kHzQ = 2
f1 = kHz
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
VR = ?22 µHC

Un circuito risonante serie usa un induttore da 22 µH. Quale resistenza serie totale R dà una larghezza di banda di 10 kHz?

L = 22 µHBW = 10 kHz
R = Ω
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M45 kW, η = 91%cos φ = 0,8

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 45 kW. A questo carico il suo rendimento è del 91% 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 = 45 kWη = 91%cos φ = 0,8VL = 480 V
IL = A
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 60 kW con un fattore di potenza di 0,8 in ritardo da una rete a 480 V (tensione concatenata) e 50 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,98 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 60 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 1 kΩC220 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 tensione del condensatore vC in t = 150 ms.

Vs = 15 VR1 = 3,3 kΩR2 = 1 kΩC = 220 µFt = 150 ms
vC = V
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​6 Vt = 0R = 10 kΩC47 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. Trova la tensione del condensatore vC in t = 500 ms.

Vs = 6 VR = 10 kΩC = 47 µFvC(0) = 10 Vt = 500 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​3 ABRL​25 ΩIL​

Un carico RL = 25 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 25 ΩR2 = 25 ΩR3 = 3 ΩRL = 25 Ω
PL = W
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​R = 220 ΩL = 22 mHvout​

Il filtro passa-alto RL mostrato ha R = 220 Ω, L = 22 mH. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 3,2 kHz. Trova lo sfasamento φ di vout rispetto a vin, in gradi.

R = 220 ΩL = 22 mHf = 3,2 kHz
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) = 10/(s(s + 1)(s + 7)). Trova la pulsazione di attraversamento della fase ω180, dove ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 7))
ω180 = rad/s

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: Re(w) = 10,28

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| = 4 · 4 = 16
θ = 30° + 20° = 50°

Forma cartesiana

Re(w) = 16·cos(50°) = 10,28
Im(w) = 16·sin(50°) = 12,26
Re(w) = 10,28

Risposta

Re(w) = 10,28
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 = 4 − j
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·4·z + (4² + 1²) = z² − 8z + 17

Scomponi il fattore quadratico

z³ − 3z² − 23z + 85 = (z² − 8z + 17)(z + 5)

Radice reale

r = −5

Risposta

r = −5

Verifica con la somma delle radici: z₁ + z₂ + r = 8 + (−5) = 3 = −(−3).

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = 21,7 °

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

XL = ωL = 2π·500·0,02 = 62,83 Ω

Correnti di ramo

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

IR = V/R = 50/25 = 2 A
IX = V/XL = 50/62,83 = 0,7958 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) = √(2² + 0,7958²) = 2,153 A

Angolo di fase

La corrente nell’induttore è in ritardo su V, quindi la corrente totale è in ritardo e l’angolo è positivo.

φ = arctan(IX/IR) = arctan(0,7958/2) = 21,7°

Risposta

φ = 21,7°
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 4,725 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/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (78,33)²) = 80,85 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 24/80,85 = 0,2969 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 0,2969·15,92 = 4,725 V

Risposta

VC = 4,725 V
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: cos φ = 0,985

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 di ciascun carico

Un carico induttivo assorbe potenza reattiva (Q > 0); un carico capacitivo la fornisce (Q < 0).

Q1 = 4·tan(arccos 0,65) = 4,677 kvar
Q2 = −5·tan(arccos 0,85) = −3,099 kvar

Totali

P = 4 + 5 = 9 kW
Q = 4,677 + (−3,099) = 1,578 kvar
S = √(9² + 1,578²) = 9,137 kVA

Fattore di potenza complessivo

cos φ = P/S = 9/9,137 = 0,985 in ritardo

Risposta

cos φ = 0,985
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 74,28 A

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 = 28·tan(arccos 0,8) = 21 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·220·10⁻⁶ = 11058 var = 11,06 kvar
Q2 = 21 − 11,06 = 9,942 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(28² + 9,942²) = 29,71 kVA

Nuova corrente di linea

I = S2/V = 29713/400 = 74,28 A

Risposta

I = 74,28 A
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: f1 = 3,904 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/(4·2²)) = 1,031

Frequenza di mezza potenza inferiore

f1 = 5000·(1,031 − 0,25) = 3904 Hz = 3,904 kHz

Risposta

f1 = 3,904 kHz

Quella superiore è f₂ = 6,404 kHz; verifica: f₂ − f₁ = 2,5 kHz = f₀/Q.

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·2,2 × 10⁻⁵·10000 = 1,382 Ω

Risposta

R = 1,382 Ω
9.Sistemi trifase

Risposta: IL = 74,35 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 = 45/0,91 = 49,45 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 49451/(√3·480·0,8) = 74,35 A

Risposta

IL = 74,35 A
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 453,4 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 = 60·tan(acos 0,8) = 60·0,75 = 45 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,98) = 60·0,2031 = 12,18 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 32,82 kvar

Capacità per fase

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

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 10939/(314,2·277,1²) = 453,4 µF

Risposta

Cph = 453,4 µF
11.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 2,054 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.

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 = 3,3·1/(3,3 + 1) = 0,7674 kΩ
vC(∞) = 15·1/(3,3 + 1) = 3,488 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 0,7674·220 = 168,8 ms

Curva di carica

vC(t) = 3,488·(1 − e−150/168,8) = 2,054 V

Risposta

vC = 2,054 V
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 7,381 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) = 10 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 10 kΩ · 47 µF = 470 ms
vC(t) = 6 + (10 − 6)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(500) = 6 + (4)·e−500/470 = 7,381 V

Risposta

vC = 7,381 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 2,308 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​ = 10 ΩR3​ = 20 ΩCORTOR2​3 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 = 10·3/(10+3) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 20 = 22,31 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​3 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) = 10·3/(10+3) = 2,308 V
14.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 39,64 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​ = 25 ΩR3​ = 3 ΩCORTOR2​25 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 = 25·25/(25+25) = 12,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 12,5 + 3 = 15,5 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​25 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) = 4,5 + 3·12,5 = 42 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 42 + 3·3 = 51 V
Rth​ = 15,5 Ω+−Vth​51 VRL​25 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) = 51/(15,5 + 25) = 1,259 A
PL = IL²·RL = 1,259²·25 = 39,64 W
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: φ = 26,44 °

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 = R/L = 220/0,022 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 3200/1592 = 2,011

Fase

φ = 90° − atan(2,011) = 26,44°

Risposta

φ = 26,44°
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ω180 = 2,646 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 della fase

(ω/1)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(1·7) = 2,646 rad/s

Risposta

ω180 = 2,646 rad/s

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