Potenza nei Circuiti CA

Indice

\( \) \( \) \( \) \( \)

Viene presentato il calcolo della potenza media nei circuiti CA con esempi e relative soluzioni. Sono inclusi anche problemi con soluzioni.

A - Potenza Istantanea nei Circuiti CA

Consideriamo il circuito seguente
Circuito CA Semplice
Sia l'impedenza \( Z \) scritta in forma polare come \( Z = |Z| \; e^{j\theta} \)
Sia \( v_i (t) = V_0 \; \cos(\omega t) \)
quindi
\( i (t) = \dfrac{V_0}{|Z|} \; \cos (\omega t - \theta) \)
La potenza istantanea \( P(t) \) fornita all'impedenza \( Z \) è data da
\[ P(t) = i(t) \; v(t) = \dfrac{V_0^2}{|Z|} \; \cos ( \omega t - \theta) \; \cos(\omega t) \]



B - Potenza Media nei Circuiti CA

La potenza media è definita da
\[ P_a = \displaystyle \dfrac{1}{T} \int_0^T P(t) dt \]
Sostituendo \( P(t) \) con l'espressione trovata sopra e scrivendo la potenza media come
\( P_a = \displaystyle \dfrac{V_0^2}{T |Z|} \int_0^T \; \cos ( \omega t - \theta) \; \cos(\omega t) \; dt \)
Espandere: \( \quad \cos ( \omega t - \theta) = \cos \omega t \; \cos \theta + \sin \omega t \; \sin \theta \) e sostituire in \( P_a \)
\( P_a = \displaystyle \dfrac{V_0^2}{T |Z|} \int_0^T \; (\cos^2 \omega t \; \cos \theta + \sin \omega t \; \cos \omega t \; \sin \theta ) \; dt \)
Scrivere l'integrale come somma di due integrali: un integrale a sinistra e un secondo integrale a destra come segue:
\( P_a = \displaystyle \dfrac{V_0^2}{T |Z|} \int_0^T \; cos^2 \omega t \; \cos \theta \; dt + \dfrac{V_0^2}{T |Z|} \int_0^T \; \sin \omega t \; \cos \omega t \; \sin \theta \; dt \)
Usando l'identità trigonometrica: \( \quad \sin(\omega t) \cos(\omega t) = \dfrac{1}{2} \sin(2 \omega t) \) per riscrivere l'integrale a destra come
\( \displaystyle \dfrac{V_0^2}{T |Z|} \int_0^T \; \sin \omega t \; \cos \omega t \; \sin \theta \; dt = \dfrac{V_0^2}{2 T |Z|} \sin \theta) \int_0^T \sin (2 \omega t ) \; dt \)
\( \quad = - \displaystyle \dfrac{V_0^2}{2 T |Z|} \sin \theta \dfrac{1}{2 \omega } \left[\cos (2 \omega t ) \right]_0^T \)
\( \quad \quad = - \displaystyle \dfrac{V_0^2}{2 T |Z|} \sin \theta \dfrac{1}{2 \omega } \left[\cos 2 \omega T - \cos 0 \right] \)
Usare la formula \( \quad \omega = \dfrac{2 \pi}{T} \) per semplificare \( \cos 2 \omega T \)
\( \quad \quad \quad = - \displaystyle \dfrac{V_0^2}{2 T |Z|} \sin \theta \dfrac{1}{2 \omega } [\cos (4 \pi) - \cos 0] \)
\( \quad \quad \quad \quad = 0 \)

Usare l'identità trigonometrica \( \quad \cos^2 \omega t = \dfrac{1}{2} (\cos(2 \omega t )+1) \) nell'integrale a sinistra e scrivere
\( P_a = \displaystyle \dfrac{V_0^2}{2 T |Z|} \; \cos \theta \; \int_0^T \; (\cos(2 \omega t )+1) \; dt \)
Scrivere l'integrale come somma di due integrali
\( P_a = \displaystyle \dfrac{V_0^2}{2 T |Z|} \cos \theta \int_0^T \; \dfrac{1}{2} \cos(2 \omega t ) \; dt + \dfrac{V_0^2}{2 T |Z|} \; \cos \theta \; \int_0^T \; dt \)
In modo simile a quanto sopra, si può dimostrare che \( \displaystyle \int_0^T \; \dfrac{1}{2} \cos(2 \omega t ) \; dt = 0 \)
Quindi \( P_a \) è dato da
\( \displaystyle P_a = \dfrac{V_0^2}{2 T |Z|} \; \cos \theta \; \int_0^T \; dt \)
\( \displaystyle \quad = \dfrac{V_0^2}{2 T |Z|} \; \cos \theta \left[t\right]_0^T \)
\[ \displaystyle \quad \quad P_a = \dfrac{V_0^2}{2 |Z|} \cos \theta \]
Il termine \( \cos \theta \) nella formula sopra è chiamato il fattore di potenza.
Nota che, in generale, \( |Z| \) e \( \cos \theta \) dipendono dalla frequenza e quindi la potenza media dipende dalla frequenza della sorgente di tensione (o corrente).
Come mostrato sopra, i calcoli potrebbero essere piuttosto impegnativi e quindi è incluso un calcolatore di potenza per circuiti serie RLC per ulteriori esercitazioni e indagini.

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Esempio 1
Nel circuito serie RLC mostrato di seguito, la tensione di sorgente è data da \( v_i = 5 \cos (\omega t) \), la capacità del condensatore \( C = 100 \; \mu F \), l'induttanza dell'induttore \( L = 100 \; mH\) e la resistenza del resistore \( R = 1000 \; \Omega \) e la frequenza \( f = 2000 \; Hertz \).
Circuito Serie RLC
a) Trovare l'impedenza totale \( Z \) del circuito serie RLC e esprimerla in forma polare.
b) Trovare la potenza media consegnata all'impedenza totale \( Z \).

Soluzione all'Esempio 1
a)
Per un circuito serie RLC \( Z = R + j(\omega L - \dfrac{1}{\omega C} ) \)
\( \omega = 2 \pi f = 4000 \pi \) rad/s
Sostituisci \( R \), \( L \), \( C \) e \( \omega \) con i loro valori numerici per ottenere
\( Z = 1000 + j\left(4000 \pi \times 100 \times 10^{-3} - \dfrac{1}{4000 \pi \times 100 \times 10^{-6}} \right) \)
\( Z = 1000 + \left(400\pi -\dfrac{5}{2\pi} \right) j \)
L'impedenza \( Z \) è scritta nella forma complessa standard \( Z = a + j b \)
In forma polare la stessa impedenza è scritta come \( Z = |Z| e^{j\theta} \)
dove \( \theta = \arctan \dfrac{b}{a} \) e \( |Z| = \sqrt {a^2 + b^2} \)
Pertanto
\( \theta = \arctan \left(\dfrac{400\pi -\dfrac{5}{2\pi} }{1000} \right) \)
\( |Z| = \sqrt {1000^2 + \left(400\pi -\dfrac{5}{2\pi}\right)^2} \)

b)
\( \displaystyle P_a = \dfrac{V_0^2}{2 |Z|} \cos \theta \)
Sostituisci \( V_0 \), \( |Z| \) e \( \theta \) con i loro valori numerici
\( \displaystyle P_a = \dfrac{5^2}{2 \sqrt {1000^2 + \left(400\pi -\dfrac{5}{2\pi}\right)^2} } \cos \left( \arctan \left(\dfrac{400\pi -\dfrac{5}{2\pi} }{1000} \right) \right) \)
\( \quad \approx 0.00485 \; \text{Watts} \)



Esempio 2
Mostra che la potenza media consegnata a un circuito serie RLC, come quello nell'esempio 1, è massima per una frequenza \( f = \dfrac{1}{2 \pi \sqrt{LC}} \) e trova una formula per questa potenza massima.

Soluzione all'Esempio 2
a) Per un circuito serie RLC, l'impedenza totale è data da:   \( Z = R + j(\omega L - \dfrac{1}{\omega C}) \)
La frequenza angolare \( \omega \) è correlata alla frequenza \( f \) dalla formula: \( \omega = 2 \pi f = \dfrac{1}{\sqrt{LC}}\)
Sostituisci \( \omega \) con \( \dfrac{1}{\sqrt{LC}}\) in \( Z \) per ottenere
\( Z = R + j (\dfrac{1}{\sqrt{LC}} L - \dfrac{1}{\dfrac{C}{\sqrt{LC}}}) \)
\( \quad = R + j ( \dfrac{1}{\sqrt{LC}} L - \dfrac{\sqrt{LC}}{C} ) \)
\( \quad = R + j ( \dfrac{\sqrt L}{\sqrt C} - \dfrac{\sqrt{L}}{\sqrt C} ) \)
che si semplifica a
\( Z = R \)
Per la frequenza \( f = \dfrac{1}{2 \pi \sqrt{LC}} \), l'impedenza \( Z \) è reale e quindi
\( |Z| = R \)
e l'argomento \( \theta \) di \( Z \) è uguale a zero. Quindi \( \cos \theta = \cos 0 = 1 \) ha un valore massimo.
Per la frequenza \( f = \dfrac{1}{2 \pi \sqrt{LC}} \), il fattore di potenza \( \cos \theta = \cos 0 = 1 \) è massimo e \( |Z| \) è minimo il che dà una potenza media con un valore massimo dato da
\( P_a max = \dfrac{V_0^2}{2 R} \)



Esempio 3
In un circuito serie RLC, come quello nell'esempio 1 sopra, la tensione di sorgente è data da \( v_i = 2 \cos ( \omega t) \), la capacità del condensatore \( C = 470 \mu \)F, l'induttanza dell'induttore \( L = 50 \)mH e la resistenza del resistore è \( R = 100 \; \Omega \).
a) Esprimere la potenza media \( P_a \) data dalla sua formula sopra e fare un grafico di \( P_a \) in funzione della frequenza angolare \( \omega \) e trovare la posizione del massimo di \( P_a \).
b) Verificare che la potenza è massima all'angolare \( \omega_r = \dfrac{1}{\sqrt{LC}} \) (o la frequenza \( f_r = \dfrac{1}{2 \pi \sqrt{LC}} \)) e viene data da \( P_a max = \dfrac{V_0^2}{2 R} \) come spiegato nell'esempio 2 sopra.

Soluzione all'Esempio 3
Per un circuito serie RLC \( Z = R + j(\omega L - \dfrac{1}{\omega C}) \)
Modulo: \( |Z| = \sqrt { R^2 + \left( \omega L - \dfrac{1}{\omega C} \right)^2} \)

Argomento: \( \theta = \arctan \left( \dfrac{\omega L - \dfrac{1}{\omega C}} {R} \right) \)
La potenza media \( P_a \) è data da
\[ P_a = \dfrac{V_0^2}{2 |Z|} \cos \theta \]
Sostituisci \( V_0 \) e \( |Z| \) con le loro espressioni
\( P_a (\omega ) = \dfrac{V_0^2}{2 \sqrt { R^2 + \left( \omega L - \dfrac{1}{\omega C} \right)^2}} \cos \left(\arctan \left( \dfrac{\omega L - \dfrac{1}{\omega C}} {R} \right) \right) \)
Sostituisci \( R \), \( L \) e \( C \) con i loro valori per ottenere \( P_a \) come funzione di \( \omega \)
\( P_a (\omega ) = \dfrac{2}{ \sqrt { 100^2 + \left( 50 \times 10^{-3} \; \omega - \dfrac{1}{470 \times 10^{-6}\; \omega } \right)^2}} \cos \left(\arctan \left( \dfrac{50 \times 10^{-3} \; \omega - \dfrac{1}{ 470 \times 10^{-6} \; \omega }} {100} \right) \right) \)
Il grafico di \( P_a (\omega ) \) contro \( \omega \) è mostrato di seguito.
È stato utilizzato il calcolatore grafico geogebra gratuito per graficare e individuare il massimo come mostrato nel grafico.

Potenza Media in Funzione della Frequenza Angolare

b)
Nell'esempio 2 sopra, è stato spiegato che la potenza media è massima a
\( \omega_r = \dfrac{1}{\sqrt{LC}} = \dfrac{1}{ \sqrt{50 \times 10^{-3} \times 470 \times 10^{-6} }} \approx 206.28\) rad/s
La potenza massima è data da: \( P_a max = \dfrac{V_0^2}{2 R} = \dfrac{2^2}{2 \times 100} = 0.02\) Watts
Entrambi i valori calcolati di \( \omega_r \) e \( P_a max \) calcolati sono uguali ai valori trovati graficamente sopra.



Altri Riferimenti e Link

Calcolatore di Potenza in Serie RLC
Numeri Complessi in Circuiti CA
Calcolatore di Impedenza del Circuito Serie RLC
Calcolatore di Impedenza del Circuito Parallelo RLC Calcolatore di Impedenza Polare
Matematica Applicata all'Ingegneria con Esempi e Soluzioni