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 = 5∠−130° in forma cartesiana a + jb e dai la parte immaginaria b.

r = 5θ = −130°
b =
2.Numeri complessiDifficile
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

Una radice di z³ − z² − 4z + 24 = 0 è z₁ = 2 + j2. I coefficienti sono reali. Trova la radice reale r.

z₁ = 2 + j2
r =
3.Impedenza AC e fasoriMedia
10 V60 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 10 V (efficaci), 60 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
120 V60 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 47 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 60 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 47 µF
VC = V
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
230 VZ8 + j6 ΩI

Un carico con impedenza Z = 8 + j6 Ω è collegato a un’alimentazione monofase da 230 V (efficaci). Trova la potenza apparente S.

V = 230 VZ = 8 + j6 Ω
S = VA
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 25 kW con un fattore di potenza di 0,7 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,9. Trova la potenza reattiva QC che il condensatore deve fornire.

P = 25 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V22 kΩ220 µH1 nF

Un circuito RLC parallelo ha R = 22 kΩ, L = 220 µH e C = 1 nF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 22 kΩL = 220 µHC = 1 nF
Q =
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
f|I|0,7071f0​ = ?400 kHz420 kHzBW

Le frequenze di mezza potenza di una curva di risonanza sono 400 kHz e 420 kHz. Trova la frequenza di risonanza come loro media geometrica, e poi il fattore di qualità Q.

f1 = 400 kHzf2 = 420 kHz
Q =
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 208 VIL​ = 15 Acos φ = 0,8in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 15 A da una rete con una tensione concatenata di 208 V. Il fattore di potenza è 0,8 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 208 VIL = 15 Acos φ = 0,8
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 300 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. Trova la potenza reattiva totale QC che la batteria di condensatori deve fornire, in kvar.

P = 300 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R = 20 ΩL150 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W immagazzinata nell’induttore a t = 15 ms, in mJ.

Vs = 15 VR = 20 ΩL = 150 mHt = 15 ms
W = mJ
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = 4,7 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 20 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 300 ms.

Vs = 12 VR = 4,7 kΩC = 220 µFvC(0) = 20 Vt = 300 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩAIs​1 ABRL​10 ΩIL​

Un carico RL = 10 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 = 36 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩRL = 10 Ω
IL = A
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​R = 4,7 kΩC = 10 nFvout​

Il filtro passa-basso RC mostrato ha R = 4,7 kΩ, C = 10 nF. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 6,8 kHz. Trova il guadagno |H| = |vout/vin| in dB.

R = 4,7 kΩC = 10 nFf = 6,8 kHz
|H| = 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) = K/(s(s + 3)(s + 9)). Trova il guadagno K che dà un margine di guadagno di 2 dB.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 9))GM = 2 dB
K =

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: b = −3,83

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 = 5·cos(−130°) = −3,214
b = 5·sin(−130°) = −3,83

Forma cartesiana

z = −3,214 − j3,83
b = −3,83

Risposta

b = −3,83
2.Numeri complessi

Risposta: r = −3

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 = 2 − j2
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·2·z + (2² + 2²) = z² − 4z + 8

Scomponi il fattore quadratico

z³ − z² − 4z + 24 = (z² − 4z + 8)(z + 3)

Radice reale

r = −3

Risposta

r = −3

Verifica con la somma delle radici: z₁ + z₂ + r = 4 + (−3) = 1 = −(−1).

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,3626 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,02 = 7,54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−18,99)²) = 27,58 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 10/27,58 = 0,3626 A

Risposta

I = 0,3626 A
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 63,39 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,05 = 18,85 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·47·10⁻⁶) = 56,44 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−37,59)²) = 106,8 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 120/106,8 = 1,123 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 1,123·56,44 = 63,39 V

Risposta

VC = 63,39 V
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: S = 5290 VA

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| = √(8² + 6²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 230/10 = 23 A

Potenza apparente

S = V·I = 230·23 = 5290 VA

Risposta

S = 5290 VA
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: QC = 13,4 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.

Potenza reattiva prima e dopo

La potenza attiva P non cambia; cambia solo la potenza reattiva prelevata dalla rete.

Q1 = P·tan φ1 = 25·tan(45,57°) = 25,51 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(25,84°) = 12,11 kvar
QC = Q1 − Q2 = 13,4 kvar

Risposta

QC = 13,4 kvar
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 46,9

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).

Frequenza di risonanza

ω₀ = 1/√(LC) = 2,132 × 10⁶ rad/s

Fattore di qualità

Q = R/(ω₀L) = 22000/(2,132 × 10⁶·0,00022) = 46,9

Risposta

Q = 46,9

La larghezza di banda è 1/(2πRC) = 7,234 kHz.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 20,49

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).

Frequenza di risonanza

f0 = √(400000·420000) = 409878 Hz

Larghezza di banda

BW = 420000 − 400000 = 20000 Hz

Fattore di qualità

Q = 409878/20000 = 20,49

Risposta

Q = 20,49
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 4,323 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 = √3·208·15 = 5,404 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 5,404·0,8 = 4,323 kW

Risposta

P = 4,323 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 164,1 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 = 300·tan(acos 0,8) = 300·0,75 = 225 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,98) = 300·0,2031 = 60,92 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 164,1 kvar

Risposta

QC = 164,1 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: W = 31,54 mJ

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 = 150 mH / 20 Ω = 7,5 ms
i(∞) = Vs/R = 15/20 = 0,75 A

Corrente all’istante dato

i(t) = 0,75·(1 − e−15/7,5) = 0,6485 A

Energia immagazzinata

W = ½·L·i² = ½·150·0,6485² = 31,54 mJ

Risposta

W = 31,54 mJ
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 17,99 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) = 20 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 220 µF = 1034 ms
vC(t) = 12 + (20 − 12)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(300) = 12 + (8)·e−300/1034 = 17,99 V

Risposta

vC = 17,99 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 11,43 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​ = 2 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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 10 = 11,43 Ω
14.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,6559 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​ = 5 ΩCORTOR2​15 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 5 = 10,22 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩAIs​1 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) = 23,48 + (−1)·5,217 = 18,26 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,26 + (−1)·5 = 13,26 V
Rth​ = 10,22 Ω+−Vth​13,26 VRL​10 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) = 13,26/(10,22 + 10) = 0,6559 A
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |H| = −7,018 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/(4700·1 × 10⁻⁸) = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 6800/3386 = 2,008

Guadagno

|H| = 1/√(1 + 2,008²) = 0,4458
20·log₁₀(0,4458) = −7,018 dB

Risposta

|H| = −7,018 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: K = 257,4

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/3)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(3·9) = 5,196 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 81)) = K/(3·9·(3 + 9)) = K/324

Guadagno richiesto

324/K = 102/20 = 1,259
K = 324/1,259 = 257,4

Risposta

K = 257,4

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