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
ReIm55−5−5θz

Scrivi z = −4 + j7 in forma esponenziale r·ejθ. Dai θ in radianti, tra −π e π.

z = −4 + j7
θ = rad
2.Numeri complessiDifficile
ReIm22−2−244−4−466−6−6z₀z₁

Le radici di zⁿ = w con n = 2 e w = 36∠90° sono zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1. Trova l’argomento di z₁ in gradi, tra −180° e 180°.

w = 36∠90°n = 2k = 1
θ₁ = °
3.Impedenza AC e fasoriMedia
50 V100 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 47 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 100 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 = 100 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 47 µF
φ = °
4.Impedenza AC e fasoriDifficile
24 V1000 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 4,7 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 1000 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
I = A
5.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 7 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 7 kW con un fattore di potenza di 0,85 induttivo da un’alimentazione da 230 V. Trova la corrente di linea I.

P = 7 kWpf = 0,85V = 230 V
I = A
6.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
230 V50 HzRs​ = 20 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

Un generatore da 230 V (efficaci), 50 Hz ha un’impedenza interna Zs = 20 + j30 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.

Vs = 230 V (rms)f = 50 HzZs = 20 + j30 Ω
Pmax = W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaMedia
V47 kΩ4,7 mH100 nF

Un circuito RLC parallelo ha R = 47 kΩ, L = 4,7 mH e C = 100 nF. Trova il suo fattore di qualità Q.

R = 47 kΩL = 4,7 mHC = 100 nF
Q =
8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di bandaDifficile
C = 22 nFr = 1 ΩL = 10 µH

Un circuito risonante parallelo è fatto di un condensatore da 22 nF e una bobina da 10 µH con resistenza dell’avvolgimento di 1 Ω. In risonanza si comporta come un resistore, la sua resistenza dinamica è RD = L/(C·r). Trova RD in kΩ.

L = 10 µHC = 22 nFr = 1 Ω
RD = kΩ
9.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = 75 Acos φ = 0,9in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 75 A da una rete con una tensione concatenata di 480 V. Il fattore di potenza è 0,9 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 480 VIL = 75 Acos φ = 0,9
P = kW
10.Sistemi trifaseDifficile
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Un carico trifase equilibrato assorbe 250 kW con un fattore di potenza di 0,8 in ritardo da una rete a 690 V (tensione concatenata) e 50 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 = 250 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​9 Vt = 0R = 33 ΩL47 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W(∞) immagazzinata nell’induttore una volta che il circuito si è stabilizzato, in mJ.

Vs = 9 VR = 33 ΩL = 47 mH
W(∞) = mJ
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 3,3 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 3 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 1000 ms.

Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 220 µFvC(0) = 3 Vt = 1000 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​4 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 5 VIs = 1 AR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
15.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,1110100−60−40−20020ω (rad/s)ω = 5

Trova il modulo esatto |G(jω)| di G(s) = 50/((s + 2)(s + 5)) a ω = 5 rad/s, in dB.

G(s) = 50/((s + 2)(s + 5))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) = K/(s(s + 7)(s + 9)). Trova il guadagno K che dà un margine di guadagno di 6 dB.

L(s) = K/(s(s + 7)(s + 9))GM = 6 dB
K =

3Soluzioni

1.Numeri complessi

Risposta: θ = 2,09 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 = √(16 + 49) = 8,062

Argomento in radianti

θ = 119,7° = 119,7·π/180 = 2,09 rad

Forma esponenziale

z = 8,062·ej2,09

Risposta

θ = 2,09 rad
2.Numeri complessi

Risposta: θ₁ = −135 °

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

361/2 = 6

Argomento della radice

θ₁ = (90° + 360°·1)/2 = 225° → −135°

Argomento

θ₁ = −135°

Risposta

θ₁ = −135°

Le 2 radici giacciono sulla circonferenza di raggio 6, a distanza angolare di 180°.

3.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = 25,77 °

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 = 628,3·0,1 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (28,97)²) = 66,63 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(28,97/60) = 25,77°

Risposta

φ = 25,77°
4.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,2397 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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,02 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·4,7·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (91,8)²) = 100,1 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 24/100,1 = 0,2397 A

Risposta

I = 0,2397 A
5.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 35,81 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.

Corrente di linea

Solo la parte attiva della potenza compie lavoro, quindi dividi per il fattore di potenza.

I = P/(V·cos φ) = 7000/(230·0,85) = 35,81 A

Risposta

I = 35,81 A
6.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Pmax = 661,3 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.

Adattamento coniugato

La reattanza del carico annulla la reattanza del generatore, e la resistenza del carico è uguale alla resistenza del generatore.

ZL = Zs* = 20 − j30 Ω

Potenza massima

I = Vs/(2Rs) = 230/40 = 5,75 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·20) = 661,3 W

Risposta

Pmax = 661,3 W
7.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: Q = 216,8

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) = 46127 rad/s

Fattore di qualità

Q = R/(ω₀L) = 47000/(46127·0,0047) = 216,8

Risposta

Q = 216,8

La larghezza di banda è 1/(2πRC) = 33,86 Hz.

8.Risonanza LC, fattore Q e larghezza di banda

Risposta: RD = 0,4545 kΩ

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).

Resistenza dinamica

RD = 1 × 10⁻⁵/(2,2 × 10⁻⁸·1) = 454,5 Ω = 0,4545 kΩ

Verifica con Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 21,32, Q²·r = 454,5 Ω

Risposta

RD = 0,4545 kΩ
9.Sistemi trifase

Risposta: P = 56,12 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 = √3·480·75 = 62,35 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 62,35·0,9 = 56,12 kW

Risposta

P = 56,12 kW
10.Sistemi trifase

Risposta: QC = 81 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 = 250·tan(acos 0,8) = 250·0,75 = 187,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,92) = 250·0,426 = 106,5 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 81 kvar

Risposta

QC = 81 kvar
11.Transitori RC e RL

Risposta: W(∞) = 1,748 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 = 47 mH / 33 Ω = 1,424 ms
i(∞) = Vs/R = 9/33 = 0,2727 A

Energia immagazzinata

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·47·0,2727² = 1,748 mJ

Risposta

W(∞) = 1,748 mJ
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 4,496 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 220 µF = 726 ms
vC(t) = 5 + (3 − 5)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(1000) = 5 + (−2)·e−1000/726 = 4,496 V

Risposta

vC = 4,496 V
13.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 0,5814 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​ = 6 ΩCORTOR2​15 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 6 = 11,22 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​15 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) = 10·15/(8+15) = 6,522 V
IN​0,5814 ARth​11,22 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 = 6,522/11,22 = 0,5814 A
14.Thévenin e Norton

Risposta: Vth = 9,286 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​ = 5 ΩCORTOR2​4 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 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 5 = 7,857 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​4 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) = 1,429 + 1·2,857 = 4,286 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,286 + 1·5 = 9,286 V
15.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |G(jω)| = 2,366 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)| = 50/(√(5² + 2²)·√(5² + 5²)) = 50/(5,385·7,071) = 1,313

Risultato

20·log₁₀(1,313) = 2,366 dB

Risposta

|G(jω)| = 2,366 dB
16.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: K = 505,2

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/7)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(7·9) = 7,937 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 81)) = K/(7·9·(7 + 9)) = K/1008

Guadagno richiesto

1008/K = 106/20 = 1,995
K = 1008/1,995 = 505,2

Risposta

K = 505,2

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