A. Maffucci: Circuiti in regime stazionario ver 3.1-2007 1. Serie, parallelo e partitori. ES. 1.1 Calcolare la resistenza equivalente vista ai capi del generatore E. E + R1 = 1 Ω R2 = 4 Ω R3 R1 R3 = 3 Ω R4 = 2 Ω R4 R2 Utilizzando l’equivalenza serie e parallelo, il circuito di resistenze visto da E si può ridurre ad un unico resistore attraverso i seguenti passi: Università degli Studi di Cassino E + R1 RA R2 R A = R3 + R4 = 5 Ω Esercitazioni di Elettrotecnica: circuiti in regime stazionario ⇔ E RB = R A // R2 = + R1 RB ⇔ R A R2 = 2.22 Ω R A + R2 E + Req Req = RB + R1 = 3.22 Ω ES. 1.2 Calcolare la resistenza equivalente vista dal generatore J. R3 R4 R1 = R4 = 5 Ω R2 = 3 Ω prof. Antonio Maffucci J R1 R5 R3 = R5 = 2 Ω R2 Utilizzando l’equivalenza serie e parallelo, il circuito di resistenze visto da E si può ridurre ad un unico resistore attraverso i seguenti passi: R3 RB J R A = R4 + R5 = 7 Ω Ver. 3.1 – ottobre 2007 RR RB = 1 2 = 1.87 Ω R1 + R2 RA ⇔ RC J RA RC = RB + R3 = 3.87 Ω ⇔ Req = J Req R A RC = 2.49 Ω R A + RC 2 A. Maffucci: Circuiti in regime stazionario ver 3.1-2007 ver 3.1-2007 ES. 1.7 - Calcolare la tensione v3 usando il partitore di tensione. ES. 1.3 - Calcolare la Req vista ai morsetti A-B e quella vista ai morsetti C-D. R1 A. Maffucci: Circuiti in regime stazionario + v3 − R5 C A R2 D B R1 = R2 = 5 Ω R3 = 10 Ω R4 = 4 Ω R5 = 3 Ω R6 R3 E R6 = 2 Ω E = 220 V R3 R1 + R1 = 50 Ω R2 R2 = R3 = 100 Ω R4 Risultato: ReqAB = 7.125 Ω, ReqCD = 1.600 Ω. Il partitore di tensione si applica a due resistori in serie, quindi occorre preliminarmente ricondursi alla rete equivalente seguente: R1 ES. 1.4 - Calcolare la Req vista ai morsetti A-B e quella vista ai morsetti C-D. R2 A R5 C + E + v3 RA R1 = R3 = 0.2 Ω R2 = 0.4 Ω R1 R4 R3 B R6 R A = R2 // R3 = − R3 R2 = 50 Ω R3 + R2 R4 = R5 = 1 Ω R6 = 3 Ω Applicando ora il partitore di tensione si ha: D v3 = E Risultato: ReqAB = 0.147 Ω, ReqCD = 0.126 Ω. RA = 110 V . R A + R1 ES. 1.8 - Calcolare la corrente i3 usando il partitore di corrente. ES. 1.5 - Calcolare il valore di R4 tale che ai morsetti A-B si abbia Req = R . i3 R2 R1 A R2 R3 B R4 J R1 = R2 = R R3 = R / 2 R1 J = 10 mA R1 = R3 = 5 μΩ R3 R2 = 3 μΩ Il partitore di corrente si applica a due resistori in parallelo, quindi occorre riferirsi alla rete equivalente seguente: Risultato: R4 = 2 R. i3 ES. 1.6 - Calcolare la Req vista ai morsetti A-B e quella vista ai morsetti C-D. A R4 R3 R1 B C R5 R2 D J R1 = 2.3 mΩ R2 = 1.4 mΩ R1 RA R A = R2 + R3 = 8 μΩ Applicando ora il partitore di corrente si ha (tenuto conto dei versi): R1 = −3.84 mA. i3 = − J R A + R1 R3 = 1 mΩ, R4 = 3 mΩ, R5 = 0.8 mΩ Risultato: ReqAB = 0.47 mΩ, ReqCD = 0.63 mΩ. 3 4 A. Maffucci: Circuiti in regime stazionario ver 3.1-2007 ES. 1.9 - Calcolare la potenza erogata dal generatore E e quella assorbita dal resistore R5 iE E R3 R1 + R5 ES. 1.11 - Calcolare la potenza erogata dal generatore e quella assorbita da ogni resistore. Verificare la conservazione delle potenze. R1 = 10 Ω R2 = 2 Ω R3 = 3 Ω R4 = 5 Ω R5 = 2 Ω = Ei E , PR = 5 E ⇒ R B = R3 + R A Req R1 = 2 Ω R2 = 10 Ω R3 = 20 Ω R4 = 15 Ω Risultato: PJerog = 0.886 kW, PR1 = 0.023 kW, PR2 = 0.004 kW, PR3 = 0.335 kW, PR4 = 0.524 kW. R5 i52 . R A = R4 // R5 + R4 J R2 La i E si valuta a partire dal calcolo della resistenza equivalente vista ai capi del generatore: iE J = 10 A R3 R1 Scegliendo le correnti come in figura, le potenze richieste sono date da: PEerog ver 3.1-2007 E = 10 V i5 R4 R2 A. Maffucci: Circuiti in regime stazionario Req = R1 + RC = 11.36 Ω ⇒ iE = RC = R B // R2 ES. 1.12 - Calcolare la corrente icc che circola nel corto-circuito. E = 0.88 A Req E + E = 220 V R3 R1 R2 R1 = 10 Ω R2 = 0.1 kΩ R4 icc R3 = 25 Ω R4 = 2 kΩ da cui si ricava: PEerog = 8.80 W . Nota la corrente i E , si può ricavare la i5 applicando due volte il partitore di corrente. Dapprima ricaviamo i3 dalla rete equivalente seguente i3 iE E ES. 1.13 - Calcolare la tensione v0 sul circuito aperto in figura. R1 + Risultato: icc = −5.87 A. R2 i3 = iE RB R2 R2 + RB R3 J1 = 1 A R4 R2 R1 J quindi ricaviamo i5 ripartendo i3 tra i resistori R4 ed R5 : i5 = i3 R4 = 0.19A R4 + R5 ⇒ R5 R6 R1 = 10 Ω R2 = 10 Ω R3 = 15 Ω R4 = 5 Ω R5 = 30 Ω R6 = 25 Ω v0 PR5 = 72.20 mW . Risultato: v 0 = −6.43 V . ES. 1.10 - Calcolare la potenza erogata dal generatore J e quella assorbita dal resistore R1 . R3 ES. 1.14 - Valutare la potenza assorbita dai resistori della rete in figura. R4 J =5 A J R1 R2 R5 R1 R1 = R4 = 5 Ω R2 = 3 Ω R3 = R5 = 2 Ω Risultato: PJerog = 62.25 W , PR1 = 7.25 W . E = 10 V R2 + E R3 R1 = 10 Ω R2 = 1 Ω R3 = 100 Ω Risultato: PR1 = PR3 = 0, PR2 = 100 W. 5 6 A. Maffucci: Circuiti in regime stazionario ver 3.1-2007 A. Maffucci: Circuiti in regime stazionario ES. 2.2 - Calcolare la potenza totale erogata dai generatori. 2. Sovrapposizione degli effetti. R1 ES. 2.1 - Calcolare la potenza totale erogata dai generatori. E1 R3 R1 J E = 10 V R4 R2 ver 3.1-2007 E + R1 R2 + E1 = 10 V, E 2 = 20 V + R1 E2 R1 R1 = 2 Ω, R2 = 1 Ω J = 20 A R1 = R2 = 3 Ω Risultato: PEerog = 16.67 W, PEerog = 0.12 kW. R3 = 2 Ω R4 = 5 Ω 1 2 ES. 2.3 - Calcolare la potenza totale erogata dai generatori. Adottando la convenzione del generatore sui due generatori della rete, la potenza erogata da ciascuno di essi sarà data da: + J R1 La tensione v J e la corrente iE si possono valutare applicando la sovrapposizione degli effetti, risolvendo i due circuiti ausiliari ottenuti considerando un solo generatore acceso: iB′′ iE′′ R4 R2 R4 R2 R3 R3 + J R1 iE′ E R1 v ′A v ′J′ v′J R3 R3 = R4 = 10 Ω ES. 2.4 - Calcolare la tensione v1 e la corrente i3. R2 R3 R1 Req J = ( R3 // R4 + R2 ) // R1 = 1.79 Ω ⇒ v ′J = Req J J = 35.80V . E1 Per valutare i′E si può utilizzare la tensione v′A sul parallelo R A = R3 // R4 : + v1 RA v′ ⇒ i E′ = − A = −2.31 A R2 + R A R4 (nell’ultimo passaggio si è tenuto conto della convenzione adottata su R4 ). Nel secondo circuito ausiliario, il contributo iE′′ è ottenuto valutando la resistenza equivalente vista dal generatore: i3 R4 E2 − + v ′A = v ′J R1 = R2 = R3 = R4 = 2 Ω E1 = 5 V, E 2 = 2 V + Risultato: v1 = 1.60 V, i 3 = −0.90 A. ES. 2.5 - Utilizzando la sovrapposizione degli effetti, dimostrare la Formula di Millmann. Req E = ( R1 + R2 ) // R3 + R4 = 6.50 Ω ⇒ iE′′ = E / Req E = 1.54 A. A Per valutare v ′J′ è utile passare attraverso il calcolo della corrente iB′′ della serie RB = R1 + R2 : R3 RB + R3 E J = 20 A R1 = 1 Ω R2 = 5 Ω Risultato: PEerog = −0.09 kW, PJerog = 1.36 kW. Con riferimento al primo circuito ausiliario, il contributo v′J è ottenuto valutando la resistenza equivalente vista dal generatore: i B′′ = i E′′ E = 50 V R4 R2 PEerog = Ei E , PJerog = Jv J . ⇒ v ′J′ = R1i B′′ = 1.14 V . R1 + R3 R2 Se ne conclude che: v AB + PEerog = EiE = E (iE′ + iE′′ ) = −7.70 W , PJerog = Jv J = J ( v ′J + v ′J′ ) = 0.74 kW. E1 (Si osservi che in questa rete il generatore di tensione sta assorbendo potenza elettrica positiva). 7 + E2 + E3 v AB E1 E 2 E3 + + R R2 R3 = 1 1 1 1 + + R1 R2 R3 − B 8 A. Maffucci: Circuiti in regime stazionario ver 3.1-2007 A. Maffucci: Circuiti in regime stazionario ver 3.1-2007 3. Generatori equivalenti di Thévenin e di Norton. ES. 2.6 - Determinare la potenza erogata dal generatore E1. R1 + E1 + R3 ES. 3.1 - Calcolare l’equivalente di Thévenin visto ai capi dei morsetti a-b. E1 = 5 V , E 2 = 12 , R2 E2 R1 = 3.5 Ω, R2 = 2.3 Ω, R3 = 3.2 Ω. a R1 R2 + E R3 b Risultato: PEerog = −2.05 W. 1 La resistenza equivalente si ottiene spegnendo l’unico generatore, quindi studiando la rete seguente ES. 2.7 - Utilizzando il principio di sovrapposizione degli effetti, determinare la tensione v. a v R1 + E R1 R2 E = 5 V , J = 2 mA R2 R1 = 3 kΩ, R2 = 2.4 kΩ, R3 = 3.2 kΩ R3 J Req = R2 + R1 // R3 = R2 + R3 R1R3 . R1 + R3 b La tensione a vuoto E0 si ottiene valutando la tensione tra i morsetti aperti. Tenuto conto che in queste condizioni non circola corrente sul resistore R2 è evidente che la E0 è anche la tensione su R3 . Poiché R1 ed R3 sono in serie, la tensione E0 i2 = 0 si può ricavare da un semplice partitore di tensione: a Risultato: v = 0.28 V. R1 ES. 2.8 - Utilizzando il principio di sovrapposizione degli effetti, determinare la corrente i e la potenza assorbita da R3 i R1 J R2 + R3 E E = 10 V , J = 1 mA R1 = 3.2 kΩ, R2 = 2.2 kΩ, R3 = 3.5 kΩ E0 = E E R3 . R1 + R3 + R2 R3 E0 E0 b ES. 3.2 - Calcolare l’equivalente di Norton visto ai capi dei morsetti a-b. R2 a Risultato: i = 1.37 mA, P = 6.57 mW. R1 J R3 + ES. 2.9 - Valutare la corrente i e la potenza erogata dal generatore E1. E1 + E = 10 V R1 = R2 = 2 Ω b R3 = R4 = 4 Ω E i R1 J = 20 A R4 La resistenza equivalente si ottiene spegnendo i generatori: R3 E1 = 10 V , E 2 = 20 V R2 + E2 R1 = 5 Ω, R 2 = 20 Ω, Req = R4 //[ R3 //( R1 + R2 )] = 1.33 Ω R3 = 10 Ω La corrente I cc è la corrente che circola da a a b quando i due morsetti sono in corto-circuito. ′ dovuto al solo Applicando il principio di sovrapposizione degli effetti, il contributo I cc generatore di corrente si valuta sostituendo il generatore di tensione con un corto-circuito e applicando la formula del partitore di corrente: = −2.86 W. Risultato: i = −0.86 A, PEerog 1 9 10 A. Maffucci: Circuiti in regime stazionario ver 3.1-2007 ′ =J I cc A. Maffucci: Circuiti in regime stazionario R1 = 10 A R1 + R2 ′ = −J I cc ′′ dovuto al generatore di tensione si (si noti che R3 ed R4 sono cortocircuitate). Il contributo I cc ′′ è valuta sostituendo il generatore di corrente con un circuito aperto. In questo circuito I cc proprio la corrente che circola nel generatore di tensione (si noti che su tale generatore è fatta la convenzione dell'utilizzatore): ′′ = − I cc ver 3.1-2007 R3 = −6.250 A R3 + ( R1 // R2 ) ′′ dovuto al generatore di tensione si valuta sostituendo il generatore di corrente Il contributo I cc con un circuito aperto. Applicando il partitore di tensione si può ricavare la tensione sul parallelo R p = R2 // R3 e quindi ricavare la corrente richiesta (che circola in R3 ). E = −5 A , RE v ′p′ = E Rp ′′ = ⇒ I cc R1 + R p v ′p′ R3 = 3.375 A . dove R E = ( R1 + R2 ) // R3 = 2 Ω . Pertanto la I cc sarà Si ottiene in definitiva ′ + I cc ′′ = 5 A . I cc = I cc ′ + I cc ′′ = −2.875 A I cc = I cc ES. 3.3 - Utilizzando l'equivalente di Norton calcolare la corrente che circola in R4 . ⇒ i4 = −1.000 A. R1 E + R2 R3 R4 J E = 54 V J = 10 A R1 = 6 Ω ES. 3.4 - Utilizzando il teorema di Thévenin calcolare la potenza assorbita dal resistore R2 . R2 = R3 = 4 Ω R4 = 12 Ω R3 i4 R1 Riducendo la rete vista ai capi di R4 con il teorema di Norton, si ottiene la rete seguente, dalla quale si evince che i4 Req . i4 = I cc I Req Req + R4 cc R4 I circuiti per valutare i parametri di Norton sono riportati di seguito: R1 Req R2 E = 1 V J = 2 mA J R2 R4 + R1 = R2 = 1 kΩ R3 = 2 kΩ R4 = 5 kΩ E Risultato: PR2 = 0.85 mW . ES. 3.5 - Utilizzando il teorema di Thévenin calcolare la corrente i5 . R1 R3 E + R2 R1 R3 J I cc i5 R3 R2 I cc + R4 Si avrà allora R5 E = 12 V R1 = R3 = 0.2 kΩ R2 = 0.6 kΩ R4 = R5 = 0.4 kΩ Risultato: i5 = −18 mA. Req = R1 // R2 + R3 = 6.40 Ω . La corrente I cc si può valutare applicando il principio di sovrapposizione degli effetti. Il ′ dovuto al solo generatore di corrente si valuta sostituendo il generatore di contributo I cc tensione con un corto-circuito e applicando la formula del partitore di corrente: 11 12 A. Maffucci: Circuiti in regime stazionario ver 3.1-2007 A. Maffucci: Circuiti in regime stazionario ver 3.1-2007 4. Esercizi di riepilogo ES. 3.6 - Utilizzando il teorema di Norton calcolare la potenza assorbita dal resistore R3 . ES. 4.1 - Calcolare la potenza erogata dai due generatori e la potenza assorbita dai resistori (verificare la conservazione delle potenze). R2 R3 R1 J R4 E E = 5V J = 1 μA R1 = R3 = 2 MΩ E R2 = 800 kΩ E = 50 V J = 60 A R3 R1 + J R2 R1 = 5 Ω R2 = 40 Ω R4 R3 = 80 Ω R4 = 120 Ω R4 = 300 kΩ + Risultato: Adottando la convenzione del generatore sui due generatori e quella normale sui resistori si ha: Risultato: PR3 = 0.43 μW . PEerog = −1.50 kW PJerog = 180.00 kW PR1 = 4.50 kW PR2 = 1.00 kW PR3 = 98.00 kW PR4 = 75.00 kW ES. 3.7 - Utilizzando il teorema di Thévenin calcolare la potenza assorbita da R5 . R5 J1 J 1 = 2 mA J2 J 2 = 1 mA ES. 4.2 - Calcolare la corrente in R2. R1 = R2 = 2 kΩ R1 R2 R3 R4 R1 R3 = R5 = 10 kΩ R4 = 3 kΩ R5 R4 J1 Risultato: PR5 = 54.87 μW . J 1 = 10 A i2 R2 J2 = 5 A R3 R1 = 2 Ω J2 R2 = R3 = 3 Ω R4 = R5 = 5 Ω Risultato: i2 = 5 A. ES. 3.8 - Verificare che il resistore R non è percorso da corrente se tra le resistenze vi è la seguente relazione (ponte di Wheatstone): R2 R1 ES. 4.3 - Calcolare la potenza erogata da ciascun generatore della rete. R1 R2 = R4 R3 R3 R4 J 1 = J 2 = 1 mA, E = 2 mV J2 J1 R R2 R1 R3 E + R1 = 0.3 Ω R2 = 0.2 Ω R3 = 0.4 Ω R4 = 0.5 Ω R4 E + (Suggerimento: applicare Norton ai capi di R ed imporre che sia nulla la corrente Icc) Risultato: PEerog = 5.2 μW, PJerog = 3.0 μW, PJerog = 1.6 μW. 1 13 2 14