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
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂w

Dati z₁ = 3∠55° e z₂ = 4∠−25°, trova la parte immaginaria di w = z₁/z₂.

z₁ = 3∠55°z₂ = 4∠−25°
Im(w) =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃z₄

Le radici di zⁿ = w con n = 5 e w = 243∠−120° sono zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, …, 4. Trova la parte reale di z₀.

w = 243∠−120°n = 5k = 0
Re(z₀) =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V50 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 50 Hz. Trova il fattore di potenza cos φ del circuito.

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 100 µF
cos φ =
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
24 V60 HzR1​ = 10 ΩR2​ = 50 ΩC = 47 µF

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 60 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR1 = 10 ΩR2 = 50 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
240 VR + jXP = 1860 W15,5 A

Un carico induttivo assorbe 15,5 A e 1860 W da un’alimentazione monofase da 240 V (efficaci). Modellalo come una resistenza R in serie con una reattanza X. Trova X.

V = 240 VI = 15,5 AP = 1860 W
X = Ω
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
230 V60 Hzcarico9 kW, 0,75C100 µFI = ?

Un carico monofase assorbe 9 kW con un fattore di potenza di 0,75 induttivo da un’alimentazione da 230 V, 60 Hz. Un condensatore da 100 µF viene collegato in parallelo al carico. Trova la nuova corrente di linea I.

P = 9 kWpf1 = 0,75V = 230 Vf = 60 HzC = 100 µF
I = A
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V1 Ω10 µH100 nF

Un circuito RLC serie ha R = 1 Ω, L = 10 µH e C = 100 nF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 1 ΩL = 10 µHC = 100 nF
Q =
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 5 kHz?

L = 22 µHBW = 5 kHz
R = Ω
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = 120 Acos φ = 0,92in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 120 A da una rete con una tensione concatenata di 690 V. Il fattore di potenza è 0,92 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 690 VIL = 120 Acos φ = 0,92
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 75 kW con un fattore di potenza di 0,7 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 0,92 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 75 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R = 50 ΩL22 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 = 15 VR = 50 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​24 Vt = 0R = 1 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 8 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 14,4 V? Trova t.

Vs = 24 VR = 1 kΩC = 220 µFvC(0) = 8 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAIs​4 ABRL​2 ΩIL​

Un carico RL = 2 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 = 15 VIs = 4 AR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩRL = 2 Ω
IL = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​C = 10 nFR = 10 kΩvout​

Il filtro passa-alto RC mostrato ha R = 10 kΩ, C = 10 nF. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 800 Hz. Trova il guadagno |H| = |vout/vin| in dB.

R = 10 kΩC = 10 nFf = 800 Hz
|H| = dB
16.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−2002040ω (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) = 1900/(s(s + 20)). Trova il margine di fase PM in gradi.

L(s) = 1900/(s(s + 20))
PM = °

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: Im(w) = 0,7386

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| = 3 / 4 = 0,75
θ = 55° − (−25)° = 80°

Forma cartesiana

Re(w) = 0,75·cos(80°) = 0,1302
Im(w) = 0,75·sin(80°) = 0,7386
Im(w) = 0,7386

Risposta

Im(w) = 0,7386
2.Numeri complessi

Risposta: Re(z₀) = 2,741

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

2431/5 = 3

Argomento della radice

θ₀ = (−120° + 360°·0)/5 = −24°

Forma cartesiana

z₀ = 3·(cos −24° + j sin −24°) = 2,741 − j1,22
Re(z₀) = 2,741

Risposta

Re(z₀) = 2,741

Le 5 radici giacciono sulla circonferenza di raggio 3, a distanza angolare di 72°.

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: cos φ = 0,9563

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

XL = 47,12 Ω, XC = 31,83 Ω

Impedenza

|Z| = √(50² + (15,29)²) = 52,29 Ω

Fattore di potenza

cos φ = R/|Z| = 50/52,29 = 0,9563
Il circuito è induttivo, quindi il fattore di potenza è induttivo (in ritardo).

Risposta

cos φ = 0,9563
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 45,4 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·60·47·10⁻⁶) = 56,44 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 = 28,01 − j24,82 Ω

Impedenza totale

Z = 10 + 28,01 − j24,82 = 38,01 − j24,82 Ω
|Z| = √(38,01² + 24,82²) = 45,4 Ω

Risposta

|Z| = 45,4 Ω
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: X = 13,41 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 = 1860/15,5² = 7,742 Ω

Reattanza dall’impedenza

|Z| = V/I = 240/15,5 = 15,48 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(15,48² − 7,742²) = 13,41 Ω

Risposta

X = 13,41 Ω
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 46,89 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 = 9·tan(arccos 0,75) = 7,937 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·100·10⁻⁶ = 1994 var = 1,994 kvar
Q2 = 7,937 − 1,994 = 5,943 kvar

Nuova potenza apparente

S2 = √(9² + 5,943²) = 10,79 kVA

Nuova corrente di linea

I = S2/V = 10785/230 = 46,89 A

Risposta

I = 46,89 A
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 10

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).

Impedenza caratteristica

√(L/C) = √(1 × 10⁻⁵/1 × 10⁻⁷) = 10 Ω

Fattore di qualità

Q = 10/1 = 10

Risposta

Q = 10

La frequenza di risonanza è 159,2 kHz, quindi BW = f₀/Q = 15,92 kHz.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: R = 0,6912 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 × 10⁻⁵·5000 = 0,6912 Ω

Risposta

R = 0,6912 Ω
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 131,9 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 = √3·690·120 = 143,4 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 143,4·0,92 = 131,9 kW

Risposta

P = 131,9 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 171 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 = 75·tan(acos 0,7) = 75·1,02 = 76,52 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 44,57 kvar

Capacità per fase

In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.

V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 14855/(377·480²) = 171 µF

Risposta

Cph = 171 µF
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 = 22 mH / 50 Ω = 0,44 ms
i(∞) = Vs/R = 15/50 = 0,3 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−1/0,44 = 1,545 V

Risposta

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

Risposta: t = 112,4 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 1 kΩ · 220 µF = 220 ms
vC(t) = 24 + (8 − 24)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

14,4 = 24 + (−16)·e−t/τ → e−t/τ = (14,4 − 24)/(8 − 24) = 0,6
t = τ·ln((8 − 24)/(14,4 − 24)) = 220·ln(1,667) = 112,4 ms

Risposta

t = 112,4 ms
13.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 14,77 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​ = 5 ΩR3​ = 10 ΩCORTOR2​8 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 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 10 = 13,08 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​8 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) = 24·8/(5+8) = 14,77 V
14.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 4,153 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​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩCORTOR2​20 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 10 = 15,71 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAIs​4 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) = 10,71 + 4·5,714 = 33,57 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33,57 + 4·10 = 73,57 V
Rth​ = 15,71 Ω+−Vth​73,57 VRL​2 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) = 73,57/(15,71 + 2) = 4,153 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |H| = −6,953 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.

Frequenza di taglio

ωc = 1/(RC) = 1/(10000·1 × 10⁻⁸) = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 800/1592 = 0,5027

Guadagno

|H| = 0,5027/√(1 + 0,5027²) = 0,4491
20·log₁₀(0,4491) = −6,953 dB

Risposta

|H| = −6,953 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: PM = 25,81 °

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 + 400ω² − 3,61 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·3,61 × 10⁶))/2 = 1710
ωc = 41,36 rad/s

Margine di fase

∠L(jωc) = −90° − atan(41,36/20) = −154,2°
PM = 180° + ∠L = 25,81°

Risposta

PM = 25,81°

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