Esercitazione per l’esame FE Electrical and Computer: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 40 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Resistori in serie e parallelo

Resistenze in serie
Req = R1 + R2 + …
Resistenze in parallelo
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Due in parallelo
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Legge di Ohm
V = I·R
Potenza
P = V·I = I²R = V²/R

Metodo

  1. Parti dall’estremità della rete più lontana dai morsetti.
  2. Combina i resistori in serie sommandoli e quelli in parallelo con 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Ridisegna il circuito dopo ogni passaggio.
  4. Ripeti finché tra i morsetti resta un solo resistore.

Analisi nodale

Legge di Kirchhoff delle correnti
ΣIin = ΣIout
Corrente di ramo
I = (Va − Vb)/R
Nodo di riferimento
Vground = 0

Metodo

  1. Scegli un nodo di riferimento (massa) e indica le tensioni degli altri nodi.
  2. Scrivi la legge di Kirchhoff delle correnti in ogni nodo incognito: le correnti uscenti attraverso i rami sono uguali a quelle entranti.
  3. Esprimi ogni corrente di ramo come (Va − Vb)/R.
  4. Risolvi il sistema di equazioni, poi trova le correnti che ti servono.

Analisi alle maglie

Legge di Kirchhoff delle tensioni
ΣV = 0 lungo ogni maglia
Resistenza in comune
corrente = I1 − I2
Generatore di corrente in una maglia
fissa quella corrente di maglia

Metodo

  1. Disegna una corrente in senso orario in ogni maglia (finestra) del circuito.
  2. Applica la legge di Kirchhoff delle tensioni lungo ogni maglia: la somma delle cadute di tensione è zero.
  3. In un resistore comune a due maglie la corrente è la differenza delle due correnti di maglia.
  4. Risolvi le equazioni; un risultato negativo significa che la corrente scorre nel verso opposto.

Sovrapposizione degli effetti

Sovrapposizione degli effetti
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Generatore di tensione spento
cortocircuito (0 V)
Generatore di corrente spento
circuito aperto (0 A)
Partitore di tensione
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Partitore di corrente
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Metodo

  1. Conta i generatori indipendenti. Risolverai un circuito più semplice per ogni generatore.
  2. Mantieni un generatore e spegni gli altri: un generatore di tensione diventa un cortocircuito (un filo), un generatore di corrente diventa un circuito aperto (un’interruzione).
  3. Risolvi il circuito più semplice per la tensione o la corrente che ti serve, tenendo conto del suo verso.
  4. Ripeti per ogni generatore, poi somma i contributi con i loro segni.

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.

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.

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)

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

Trasformatori

Rapporto spire
a = N1/N2 = V1/V2
Rapporto delle correnti
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Corrente nominale
I = S/V
Impedenza riportata
Z1′ = a²·ZL
Perdite nel rame a carico parziale
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendimento
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendimento massimo
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Circuiti con amplificatori operazionali

Amplificatore invertente
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Amplificatore non invertente
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Amplificatore sommatore
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Amplificatore operazionale ideale
V+ = V−, Iin = 0

Diodi e transistor

Diodo (caduta costante)
VD = 0,7 V when conducting
Zona attiva
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Polarizzazione fissa
IB = (VCC − 0,7)/RB
Polarizzazione a partitore
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Equivalente di Thévenin del partitore
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Maglia di collettore
VCE = VCC − ICRC − IERE
Saturazione
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

Sistemi di numerazione

Pesi delle posizioni
binario 2k, ottale 8k, esadecimale 16k
In decimale
Σ dk·bk
Da decimale
dividi per la base e leggi i resti dal basso verso l’alto
Esadecimale ↔ binario
una cifra esadecimale = 4 bit
Complemento a due
inverti i bit e aggiungi 1

Logica digitale: porte, mappe K e flip-flop

Porte di base
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Regole booleane
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Ordine della mappa di Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Gruppo di 2ᵏ celle
perde k variabili
Multiplexer 4 a 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Flip-flop
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Contatori
n bit: 2ⁿ stati; mod N: n minimo con 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Contatore asincrono (ripple)
fmax = 1/(n·tpd)
Contatori ad anello e Johnson
n e 2n stati

Metodo

  1. Per un circuito, procedi dagli ingressi all’uscita una porta alla volta e scrivi il valore su ogni filo, oppure scrivi la sua espressione e compila la tabella di verità.
  2. Per la semplificazione, riporta gli 1 (e le condizioni di indifferenza come X) in una mappa di Karnaugh con righe e colonne in codice Gray: 00, 01, 11, 10.
  3. Copri gli 1 con il minor numero possibile di gruppi, i più grandi possibile, di 1, 2, 4, 8 o 16 celle, richiudendoli sui bordi; ogni gruppo è un termine prodotto formato dalle variabili che restano costanti. Raggruppa gli 0 per la forma POS.
  4. Per flip-flop e contatori, leggi gli ingressi a ogni fronte attivo del clock, scrivi lo stato dopo ogni fronte e ricorda che un contatore a n bit ricomincia da capo dopo 2ⁿ stati.

Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radici

Stabilità
tutte le radici del polinomio caratteristico nel semipiano sinistro
tabella di Routh, elemento s¹ di un cubico
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Radici nel semipiano destro
numero di cambi di segno nella prima colonna
Cubico s³ + a₂s² + a₁s + a₀
stabile quando tutti gli a > 0 e a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Equazione caratteristica
1 + K·G(s) = 0
Asintoti
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Punti di diramazione e di confluenza
dK/ds = 0
Condizione sul modulo
K = 1/|G(s)|
Angolo di partenza
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Metodo

  1. Scrivi il polinomio caratteristico ad anello chiuso: il denominatore di 1 + K·G(s) = 0, sviluppato.
  2. Inserisci i coefficienti alternati nelle prime due righe della tabella di Routh e costruisci le righe rimanenti.
  3. Conta i cambi di segno nella prima colonna: ciascuno è un polo nel semipiano destro. Con K nella tabella, richiedi che ogni elemento della prima colonna resti positivo.
  4. Per un luogo delle radici, segna poli e zeri, i tratti dell’asse reale, gli asintoti dal centro e i punti di diramazione dove dK/ds = 0. Usa K = 1/|G(s)| per il guadagno in un punto.

Errore a regime e controllo PID

Tipo del sistema
numero di poli di G(s) in s = 0
Costanti d’errore
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Gradino A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parabola A·t²/2
ess = A/Ka
Controllore PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Obiettivo del secondo ordine
s² + 2ζωns + ωn²
Sovraelongazione e tempi
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Metodo

  1. Conta i poli dell’anello aperto C(s)·G(s) in s = 0: è il tipo del sistema.
  2. Calcola la costante d’errore corrispondente all’ingresso: Kp per un gradino, Kv per una rampa, Ka per una parabola.
  3. Applica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, oppure risolvi per il guadagno che ti serve.
  4. Per una specifica di smorzamento o di velocità, scrivi il polinomio caratteristico ad anello chiuso e uguaglialo a s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Esercizi

1.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​12 ΩB

Trova la corrente IR1 erogata dal generatore, che scorre in R1.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 5 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩIR2​AR4​12 ΩBR6​30 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 30 ΩR4 = 12 ΩR5 = 20 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
3.Analisi nodaleMedia
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​12 ΩBIs​2,5 A

Usa l’analisi nodale per trovare la tensione di nodo VB (misurata rispetto a massa).

V1 = 24 VIs = 2,5 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 Ω
VB = V
4.Analisi nodaleDifficile
R1​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​24 VR3​25 ΩAR5​12 ΩBIs​0,5 A−+V2​5 V

Usa l’analisi nodale per trovare la tensione di nodo VA (misurata rispetto a massa).

V1 = 24 VIs = 0,5 AV2 = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩR4 = 4 ΩR5 = 12 Ω
VA = V
5.Analisi alle maglieMedia
R1​ = 6 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​9 VR3​5 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

Usa l’analisi alle maglie per trovare la corrente di maglia I1 (in senso orario).

V1 = 9 VV2 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 Ω
I1 = A
6.Analisi alle maglieDifficile
R1​ = 5 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR4​6 ΩAR5​4 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

Usa l’analisi alle maglie per trovare la corrente di maglia I3 (in senso orario).

V1 = 6 VV2 = 5 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 ΩR5 = 4 Ω
I3 = A
7.Sovrapposizione degli effettiMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​4 ΩBIs​?

Trova il valore del generatore di corrente Is (verso come indicato) che rende nulla la corrente IR3 in R3.

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 Ω
Is = A
8.Sovrapposizione degli effettiDifficile
R1​ = 5 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​12 VR3​25 Ω+−VR3​AIs​2 AB+−V2​10 V

Usa la sovrapposizione degli effetti per trovare la tensione VR3 ai capi di R3 con la polarità indicata.

V1 = 12 VIs = 2 AV2 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 ΩR4 = 30 Ω
VR3 = V
9.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAIs​2 ABRL​25 ΩIL​

Un carico RL = 25 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 = 6 VIs = 2 AR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩRL = 25 Ω
IL = A
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R = 15 ΩL10 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Quanto tempo dopo la chiusura dell’interruttore la corrente raggiunge il 90% del suo valore finale? Trova t.

Vs = 20 VR = 15 ΩL = 10 mH
t = ms
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​9 Vt = 0R = 1 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 4 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 6 V? Trova t.

Vs = 9 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 4 V
t = ms
13.Impedenza AC e fasoriMedia
Vf0​ = 50 HzRL = 2 mHC = ?

Un circuito RLC serie con L = 2 mH deve entrare in risonanza a 50 Hz. Trova la capacità C necessaria.

f0 = 50 HzL = 2 mH
C = µF
14.Impedenza AC e fasoriDifficile
50 V500 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 22 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 500 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 22 µF
I = A
15.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
120 VR + jXP = 966 W11,5 A

Un carico induttivo assorbe 11,5 A e 966 W da un’alimentazione monofase da 120 V (efficaci). Modellalo come una resistenza R in serie con una reattanza X. Trova R.

V = 120 VI = 11,5 AP = 966 W
R = Ω
16.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
10 V50 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j10 ΩZL​ = ?

Un generatore da 10 V (efficaci), 50 Hz ha un’impedenza interna Zs = 10 + j10 Ω. L’impedenza di carico ZL può essere scelta liberamente. Trova la massima potenza attiva Pmax che si può trasferire al carico.

Vs = 10 V (rms)f = 50 HzZs = 10 + j10 Ω
Pmax = W
17.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M110 kW, η = 92%cos φ = 0,84

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 110 kW. A questo carico il suo rendimento è del 92% e il suo fattore di potenza è 0,84 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 415 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 110 kWη = 92%cos φ = 0,84VL = 415 V
IL = A
18.Sistemi trifaseDifficile
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 100 kW con un fattore di potenza di 0,7 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 0,98 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 100 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.TrasformatoriMedia
RL​ = 5 Ω511200 VV2​I1​ = ?I2​

A un trasformatore ideale con rapporto spire N₁:N₂ = 5:1 sono applicati 1200 V sull’avvolgimento primario. Un resistore da 5 Ω è collegato ai capi dell’avvolgimento secondario. Trova la corrente primaria I1.

N1:N2 = 5:1V1 = 1200 VRL = 5 Ω
I1 = A
20.TrasformatoriDifficile
pf 0,85500 kVA, η = 98,8%

Un trasformatore monofase da 500 kVA ha perdite nel ferro di 1500 W. Al carico nominale e con un fattore di potenza di 0,85 in ritardo il suo rendimento è del 98,8%. Trova le perdite nel rame a pieno carico Pcu,fl in watt.

S = 500 kVAPcore = 1500 Wpf = 0,85η = 98,8%
Pcu,fl = W
21.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 1 kΩVin​

L’amplificatore operazionale è ideale ed è alimentato a ±15 V; la sua uscita satura a ±13 V. L’amplificatore non invertente è pilotato da un’onda sinusoidale. Trova la massima ampiezza d’ingresso Vin,max (valore di picco) per cui l’uscita non viene tagliata.

R1 = 1 kΩRf = 10 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
22.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile
−+Vout​C = 0,1 µFVin​ = 2,4 VR = 47 kΩ

L’integratore usa un amplificatore operazionale ideale alimentato a ±15 V; la sua uscita satura a ±14 V. Il condensatore è scarico quando a t = 0 viene applicato un ingresso costante Vin = 2,4 V. Quanto tempo dopo t = 0 l’uscita raggiunge la saturazione? Trova t.

Vin = 2,4 VR = 47 kΩC = 0,1 µFVsat = ±14 V
t = ms
23.Diodi e transistorMedia
RC​ = 1 kΩβ = 150IC​ = ?RE​ = 1 kΩVCC​ = 20 VR1​ = 22 kΩR2​ = 6,8 kΩ

Un transistor NPN con β = 150 è polarizzato con un partitore di tensione da VCC = 20 V: R₁ = 22 kΩ da VCC alla base e R₂ = 6,8 kΩ dalla base a massa. Il resistore di collettore è RC = 1 kΩ e il resistore di emettitore è RE = 1 kΩ. Assumi VBE = 0,7 V e usa l’equivalente di Thévenin del partitore (non trascurare la corrente di base). Trova la corrente di collettore IC in mA.

VCC = 20 VR1 = 22 kΩR2 = 6,8 kΩRC = 1 kΩRE = 1 kΩβ = 150
IC = mA
24.Diodi e transistorDifficile
RC​ = 1 kΩβ = 150IC​ = ?VCC​ = 24 V3,3 VRB​ = 4,7 kΩ

Un transistor NPN con β = 150 commuta un resistore di carico da 1 kΩ collegato tra VCC = 24 V e il suo collettore. L’emettitore è a massa. La base è pilotata da un’uscita logica a 3,3 V attraverso un resistore di base RB = 4,7 kΩ. Assumi VBE = 0,7 V e VCE(sat) = 0,2 V. Trova la corrente di collettore IC in mA quando l’ingresso è alto. Stabilisci prima se il transistor è saturo.

VCC = 24 VRC = 1 kΩβ = 150Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 VRB = 4,7 kΩ
IC = mA
25.Sistemi di numerazioneMedia
pesi nel complemento a due1−12806403211618141201

La sequenza a 8 bit 1001 1110 memorizza un intero con segno in complemento a due. Qual è il suo valore N in decimale?

1001 11108 bit
N =
26.Sistemi di numerazioneDifficile
clicca i bit per impostarli012806403201608040201

Imposta i bit sul risultato a 8 bit di 1110 1101 AND 1000 0111. Qual è il valore R del risultato in decimale?

1110 1101AND1000 0111
R =
27.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flopMedia
ABCD000111100001111000010312041517160120131151140809011010

Usa la mappa di Karnaugh per trovare la forma minima a somma di prodotti (SOP) di F(A, B, C, D) = Σm(2, 5, 6, 7, 14, 15). Quanti letterali L contiene in totale (una variabile con apice conta come un letterale)?

F(A, B, C, D) = Σm(2, 5, 6, 7, 14, 15)
L =
28.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flopDifficile
CLKT12345678

Un flip-flop T sensibile al fronte di salita parte con Q = 0 e riceve gli ingressi mostrati in 8 fronti di salita del clock. Quante volte N Q cambia stato?

Q₀ = 0T
N =
29.Trasformate di LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,75f(0,75) = ?

Trova f(t) per F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 3)) con i fratti semplici, e calcola f(0,75).

F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 3))t = 0,75 s
f(0.75) =
30.Trasformate di LaplaceDifficile
ReIm−1−2−3−4−5−61

Un sistema è descritto dall’equazione differenziale y″ + 10y′ + 24y = 3u′ + 10u, con ingresso u(t) e uscita y(t). Trova la sua funzione di trasferimento G(s) = Y(s)/U(s) (condizioni iniziali nulle) e calcola la risposta all’impulso g(t) per t = 0,2 s. Trova g(0,2).

y″ + 10y′ + 24y = 3u′ + 10ut = 0,2 s
g(0.2) =
31.Schemi a blocchiMedia
R(s)+38s + 2G(s)C(s)2H−

Un processo G(s) = 38/(s + 2) è controllato in un anello di retroazione negativa il cui sensore ha guadagno H = 2. Un gradino di ampiezza 24 viene applicato in R. Trova l’uscita a regime css.

G(s) = 38/(s + 2)H = 2R = 24
css =
32.Schemi a blocchiDifficile
R(s)+Kcontrollore+D(s)+6s + 6processoC(s)−

Un controllore proporzionale K comanda il processo G(s) = 6/(s + 6) in un anello di retroazione negativa unitaria. Un gradino di disturbo di ampiezza 2 entra all’ingresso del processo mentre R = 0. Trova il guadagno minimo K che mantiene l’uscita a regime al di sotto di 0,1 o uguale a esso.

G(s) = 6/(s + 6)D = 2css ≤ 0,1
K =
33.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)0,5

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 21/(s² + 4s + 42) e riceve un ingresso a gradino unitario. I poli sono s = σ ± jωd. Trova la parte reale σ.

G(s) = 21/(s² + 4s + 42)
σ =
34.Risposta al gradinoDifficile
t (s)y(t)1tp​ = 2 s30 %

La risposta al gradino di un sistema del secondo ordine senza zeri mostra una sovraelongazione del 30 %, e il primo picco si verifica a t = 2 s. Trova la pulsazione naturale ωn.

%OS = 30 %tp = 2 s
ωn = rad/s
35.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 8

Trova il modulo esatto |G(jω)| di G(s) = 1080/((s + 6)(s + 15)) a ω = 8 rad/s, in dB.

G(s) = 1080/((s + 6)(s + 15))ω = 8 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (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) = 32/(s(s + 4)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.

L(s) = 32/(s(s + 4))
ωc = rad/s
37.Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radiciMedia
R(s)+841s(s + 1)(s + 6)C(s)−

L’anello nello schema ha retroazione negativa e L(s) = 84/(s(s + 1)(s + 6)). Quanti poli ad anello chiuso N stanno nel semipiano destro?

L(s) = 84/(s(s + 1)(s + 6))
N =
38.Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radiciDifficile
ReIm−2−4−6−8−10−12j2sb​

È mostrato il luogo delle radici di L(s) = K/((s + 3)(s + 11)). Trova il guadagno K nel punto di diramazione sb, dove i due poli ad anello chiuso si incontrano sull’asse reale.

L(s) = K/((s + 3)(s + 11))
K =
39.Errore a regime e controllo PIDMedia
r(t) = 0,5t+2(s + 3)s(s + 10)C(s)−

Una rampa r(t) = 0,5t è applicata a un anello a retroazione unitaria con G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 10)). Trova l’errore a regime ess.

G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 10))r(t) = 0,5t
ess =
40.Errore a regime e controllo PIDDifficile
r(t) = 2t+5 + 4/s5(s + 1)(s + 5)C(s)−

Un controllore PI C(s) = 5 + 4/s comanda il sistema G(s) = 5/((s + 1)(s + 5)) in un anello a retroazione unitaria. Trova l’errore a regime ess per l’ingresso a rampa r(t) = 2t.

C(s) = 5 + 4/sG(s) = 5/((s + 1)(s + 5))r(t) = 2t
ess =

3Soluzioni

1.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 1,489 A

Resistori in serie e in parallelo: in serie la stessa corrente attraversa ogni resistore e R = R₁ + R₂ + …. In parallelo ogni resistore ha la stessa tensione e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una rete a scala si riduce una coppia alla volta finché resta un’unica resistenza equivalente.

R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​12 ΩB

Combina i resistori partendo dall’estremo lontano

Parti dall’estremo più lontano dal generatore e torna verso di esso. I resistori percorsi dalla stessa corrente sono in serie; i resistori tra gli stessi due nodi sono in parallelo.

R3 + R4 = 10 + 12 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 6·22/(6+22) = 4,714 Ω
Req = R1 + 4,714 = 2 + 4,714 = 6,714 Ω

Corrente dal generatore

Il generatore vede solo Req, quindi la legge di Ohm dà la corrente che eroga. Quella corrente scorre in R₁.

IR1 = V1/Req = 10/6,714 = 1,489 A

Risposta

IR1 = 1,489 A
2.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,5402 A

Resistori in serie e in parallelo: in serie la stessa corrente attraversa ogni resistore e R = R₁ + R₂ + …. In parallelo ogni resistore ha la stessa tensione e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una rete a scala si riduce una coppia alla volta finché resta un’unica resistenza equivalente.

R1​ = 5 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​12 ΩBR6​30 Ω

Combina i resistori partendo dall’estremo lontano

Parti dall’estremo più lontano dal generatore e torna verso di esso. I resistori percorsi dalla stessa corrente sono in serie; i resistori tra gli stessi due nodi sono in parallelo.

R5 + R6 = 20 + 30 = 50 Ω
R4 ∥ 50 = 9,677 Ω
R3 + 9,677 = 39,68 Ω
R2 ∥ 39,68 = 9,213 Ω
Req = R1 + 9,213 = 5 + 9,213 = 14,21 Ω

Corrente dal generatore

Il generatore vede solo Req, quindi la legge di Ohm dà la corrente che eroga. Quella corrente scorre in R₁.

IR1 = V1/Req = 10/14,21 = 0,7036 A

Corrente in R₂

Sottrai la caduta su R₁ per ottenere la tensione al nodo A, che è la tensione ai capi di R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,7036·5 = 6,482 V
IR2 = VA/R2 = 6,482/12 = 0,5402 A

Risposta

IR2 = 0,5402 A
3.Analisi nodale

Risposta: VB = 16,5 V

Analisi nodale: scegli un nodo di riferimento, assegna un nome alle tensioni di nodo incognite, scrivi la legge di Kirchhoff delle correnti in ogni nodo incognito usando la legge di Ohm (I = ΔV/R) e risolvi le equazioni.

R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​12 ΩBIs​2,5 A

Imposta i nodi

La massa è il filo in basso. Le tensioni di nodo note vengono direttamente dai generatori (V1 = 24 V). Incognite: VA, VB.

LKC al nodo A

Le correnti che escono da A attraverso i resistori sono uguali alla corrente immessa in A dai generatori.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/4 + (VA − 24)/4 + (VA − VB)/2 = 0
VA − 0,5·VB = 6

LKC al nodo B

Le correnti che escono da B attraverso i resistori sono uguali alla corrente immessa in B dai generatori.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/2 = 2,5
−0,5·VA + 0,5833·VB = 2,5

Risolvi

Δ = (1)(0,5833) − (−0,5)(−0,5) = 0,3333
VA = Δ1/Δ = 4,75/0,3333 = 14,25 V
VB = Δ2/Δ = 5,5/0,3333 = 16,5 V

Risposta

VB = 16,5 V
4.Analisi nodale

Risposta: VA = 6,306 V

Analisi nodale: scegli un nodo di riferimento, assegna un nome alle tensioni di nodo incognite, scrivi la legge di Kirchhoff delle correnti in ogni nodo incognito usando la legge di Ohm (I = ΔV/R) e risolvi le equazioni.

R1​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​24 VR3​25 ΩAR5​12 ΩBIs​0,5 A−+V2​5 V

Imposta i nodi

La massa è il filo in basso. Le tensioni di nodo note vengono direttamente dai generatori (V1 = 24 V, V2 = −5 V). Incognite: VA, VB.

LKC al nodo A

Le correnti che escono da A attraverso i resistori sono uguali alla corrente immessa in A dai generatori.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/25 + (VA − 24)/12 + (VA − VB)/4 = 0
0,3733·VA − 0,25·VB = 2

LKC al nodo B

Le correnti che escono da B attraverso i resistori sono uguali alla corrente immessa in B dai generatori.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/12 + (VB − VA)/4 + (VB − (−5))/4 = 0,5
−0,25·VA + 0,5833·VB = −0,75

Risolvi

Δ = (0,3733)(0,5833) − (−0,25)(−0,25) = 0,1553
VA = Δ1/Δ = 0,9792/0,1553 = 6,306 V
VB = Δ2/Δ = 0,22/0,1553 = 1,417 V

Risposta

VA = 6,306 V
5.Analisi alle maglie

Risposta: I1 = −0,527 A

Analisi alle maglie: assegna a ogni finestra di un circuito planare la propria corrente d’anello, scrivi la legge di Kirchhoff delle tensioni lungo ogni anello (somma delle cadute = somma degli aumenti) e risolvi. Le correnti di ramo sono la corrente di maglia, o la differenza di due correnti di maglia su un ramo condiviso.

R1​ = 6 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​9 VR3​5 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

Assegna le correnti di maglia

Disegna una corrente in senso orario in ogni finestra: I1, I2. Un resistore condiviso da due maglie porta la differenza delle loro correnti.

LKT lungo la maglia 1

Procedendo in senso orario, le cadute di tensione sui resistori sono uguali agli aumenti di tensione dei generatori (da − a + nel verso di percorrenza).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
6·I1 + 5(I1 − I2) = 9
11·I1 − 5·I2 = 9

LKT lungo la maglia 2

Procedendo in senso orario, le cadute di tensione sui resistori sono uguali agli aumenti di tensione dei generatori (da − a + nel verso di percorrenza).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 5(I2 − I1) = (−24)
−5·I1 + 9·I2 = −24

Risolvi

Δ = (11)(9) − (−5)(−5) = 74
I1 = Δ1/Δ = −39/74 = −0,527 A
I2 = Δ2/Δ = −219/74 = −2,959 A

Risposta

I1 = −0,527 A

Una corrente di maglia negativa scorre in senso antiorario.

6.Analisi alle maglie

Risposta: I3 = −0,6998 A

Analisi alle maglie: assegna a ogni finestra di un circuito planare la propria corrente d’anello, scrivi la legge di Kirchhoff delle tensioni lungo ogni anello (somma delle cadute = somma degli aumenti) e risolvi. Le correnti di ramo sono la corrente di maglia, o la differenza di due correnti di maglia su un ramo condiviso.

R1​ = 5 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR4​6 ΩAR5​4 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

Assegna le correnti di maglia

Disegna una corrente in senso orario in ogni finestra: I1, I2, I3. Un resistore condiviso da due maglie porta la differenza delle loro correnti.

LKT lungo la maglia 1

Procedendo in senso orario, le cadute di tensione sui resistori sono uguali agli aumenti di tensione dei generatori (da − a + nel verso di percorrenza).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
5·I1 + 6(I1 − I2) = 6
11·I1 − 6·I2 = 6

LKT lungo la maglia 2

Procedendo in senso orario, le cadute di tensione sui resistori sono uguali agli aumenti di tensione dei generatori (da − a + nel verso di percorrenza).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
12·I2 + 6(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 22·I2 − 4·I3 = 0

LKT lungo la maglia 3

Procedendo in senso orario, le cadute di tensione sui resistori sono uguali agli aumenti di tensione dei generatori (da − a + nel verso di percorrenza).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
3·I3 + 4(I3 − I2) = (−5)
−4·I2 + 7·I3 = −5

Risolvi

Δ = determinante della matrice dei coefficienti = 1266
I1 = Δ1/Δ = 708/1266 = 0,5592 A
I2 = Δ2/Δ = 32/1266 = 0,02528 A
I3 = Δ3/Δ = −886/1266 = −0,6998 A

Risposta

I3 = −0,6998 A

Una corrente di maglia negativa scorre in senso antiorario.

7.Sovrapposizione degli effetti

Risposta: Is = 1,389 A

Sovrapposizione degli effetti: in un circuito lineare, ogni tensione o corrente è la somma delle risposte a ciascun generatore indipendente che agisce da solo. Per spegnere un generatore, sostituisci un generatore ideale di tensione con un cortocircuito e un generatore ideale di corrente con un circuito aperto. I resistori restano dove sono.

R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​4 ΩBAPERTO

Caso 1 · V1 che agisce da solo

Iₛ diventa un circuito aperto, quindi R₃ e R₄ formano un unico ramo in serie da A a massa, in parallelo con R₂.

R3+R4 = 8+4 = 12 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
VA = 10·6,667/(12+6,667) = 3,571 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,571·4/12 = 1,19 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (3,571 − 1,19)/8 = 0,2976 A

Caso 2 · Is che agisce da solo

V₁ diventa un cortocircuito, quindi R₁ ∥ R₂ è collegato tra A e massa. Iₛ si divide in B tra R₄ e il percorso R₃ + R₁∥R₂; la parte in R₃ va da B ad A, contro la freccia.

R1 ∥ R2 = 6,667 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·4/18,67 = −0,2143·Is

Poni il totale uguale a zero

IR3′ + IR3″ = 0,2976 − 0,2143·Is = 0
Is = 0,2976/0,2143 = 1,389 A

Risposta

Is = 1,389 A
8.Sovrapposizione degli effetti

Risposta: VR3 = 5,385 V

Sovrapposizione degli effetti: in un circuito lineare, ogni tensione o corrente è la somma delle risposte a ciascun generatore indipendente che agisce da solo. Per spegnere un generatore, sostituisci un generatore ideale di tensione con un cortocircuito e un generatore ideale di corrente con un circuito aperto. I resistori restano dove sono.

R1​ = 5 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​12 VR3​25 ΩAAPERTOBCORTO

Caso 1 · V1 da solo

V₂ diventa un cortocircuito e Iₛ un circuito aperto. Visto da A, R₃ è in parallelo con la coppia in serie R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 25 ∥ 50 = 16,67 Ω
VA = 12·16,67/(5+16,67) = 9,231 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 9,231·30/50 = 5,538 V
VR3′ = VA − 0 = 9,231 − 0 = 9,231 V
R1​ = 5 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 30 ΩCORTOR3​25 ΩAIs​2 ABCORTO

Caso 2 · Is da solo

Entrambi i generatori di tensione diventano cortocircuiti. Iₛ si divide in B tra R₄ (ora verso massa) e R₂ in serie con R₁ ∥ R₃.

R1 ∥ R3 = 4,167 Ω, quindi il ramo sinistro è R2+4,167 = 24,17 Ω
Req = R4 ∥ 24,17 = 13,38 Ω
VB = Is·Req = (−2)·13,38 = −26,77 V
VA = VB·4,167/24,17 = −4,615 V
VR3″ = VA − 0 = −4,615 − 0 = −4,615 V
R1​ = 5 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 30 ΩCORTOR3​25 ΩAAPERTOB+−V2​10 V

Caso 3 · V2 da solo

V₁ diventa un cortocircuito e Iₛ un circuito aperto. R₁ ∥ R₃ parte da A, in serie con R₂ fino a B.

R1 ∥ R3 = 5·25/(5+25) = 4,167 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·24,17/54,17 = 4,462 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,462·4,167/24,17 = 0,7692 V
VR3‴ = VA − 0 = 0,7692 − 0 = 0,7692 V

Somma i contributi

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 9,231 + (−4,615) + 0,7692 = 5,385 V

Un risultato negativo significa che in realtà la polarità è opposta a quella indicata.

9.Thévenin e Norton

Risposta: Rth = 21 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​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩCORTOR2​10 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 15 = 21 Ω
10.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,5094 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​ = 20 ΩR3​ = 3 ΩCORTOR2​6 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 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 3 = 7,615 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAIs​2 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) = 1,385 + 2·4,615 = 10,62 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10,62 + 2·3 = 16,62 V
Rth​ = 7,615 Ω+−Vth​16,62 VRL​25 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) = 16,62/(7,615 + 25) = 0,5094 A
11.Transitori RC e RL

Risposta: t = 1,535 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.

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 = 10 mH / 15 Ω = 0,6667 ms
i(∞) = Vs/R = 20/15 = 1,333 A

Risolvi per il tempo

0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −0,6667·ln(0,1) = 1,535 ms

Risposta

t = 1,535 ms
12.Transitori RC e RL

Risposta: t = 11,24 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) = 4 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 1 kΩ · 22 µF = 22 ms
vC(t) = 9 + (4 − 9)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

6 = 9 + (−5)·e−t/τ → e−t/τ = (6 − 9)/(4 − 9) = 0,6
t = τ·ln((4 − 9)/(6 − 9)) = 22·ln(1,667) = 11,24 ms

Risposta

t = 11,24 ms
13.Impedenza AC e fasori

Risposta: C = 5066 µF

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|.

Condizione di risonanza

In risonanza le reattanze induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·50 = 314,2 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(314,2²·0,002) = 5066 µF

Risposta

C = 5066 µF
14.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,1654 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,1 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (299,7)²) = 302,3 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 50/302,3 = 0,1654 A

Risposta

I = 0,1654 A
15.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: R = 7,304 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 = 966/11,5² = 7,304 Ω

Risposta

R = 7,304 Ω
16.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Pmax = 2,5 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* = 10 − j10 Ω

Potenza massima

I = Vs/(2Rs) = 10/20 = 0,5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 10²/(4·10) = 2,5 W

Risposta

Pmax = 2,5 W
17.Sistemi trifase

Risposta: IL = 198 A

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 elettrica assorbita

Pin = Pout/η = 110/0,92 = 119,6 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 119565/(√3·415·0,84) = 198 A

Risposta

IL = 198 A
18.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 546,3 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 = 100·tan(acos 0,7) = 100·1,02 = 102 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,98) = 100·0,2031 = 20,31 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 81,71 kvar

Capacità per fase

In una batteria a stella ogni condensatore è collegato tra una linea e il centro stella.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27238/(314,2·398,4²) = 546,3 µF

Risposta

Cph = 546,3 µF
19.Trasformatori

Risposta: I1 = 9,6 A

Trasformatore ideale: le tensioni stanno nel rapporto delle spire e le correnti nel rapporto inverso: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a e I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, quindi la potenza in ingresso è uguale a quella in uscita, V₁·I₁ = V₂·I₂. Un’impedenza di carico Z sul secondario appare come a²·Z vista dal primario.

Tensione e corrente secondarie

V2 = 1200/5 = 240 V
I2 = 240/5 = 48 A

Corrente primaria

Un trasformatore ideale non ha perdite: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/5 = 9,6 A

Risposta

I1 = 9,6 A

Verifica: il carico visto dal primario è a²·RL = 125 Ω, e 1200/125 dà la stessa corrente.

20.Trasformatori

Risposta: Pcu,fl = 3662 W

Perdite del trasformatore: le perdite nel ferro (isteresi e correnti parassite) dipendono dalla tensione e sono le stesse a qualsiasi carico. Le perdite nel rame degli avvolgimenti variano con il quadrato della corrente, quindi a una frazione x del carico nominale valgono x²·Pcu,fl. Rendimento η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), con Pout = x·S·pf. Il rendimento è massimo al carico per cui le perdite nel rame sono uguali alle perdite nel ferro.

Potenza resa e assorbita

Pout = 500·0,85 = 425 kW
Pin = 425000/0,988 = 430162 W

Perdite totali e nel rame

Ploss = 430162 − 425000 = 5162 W
Pcu,fl = 5162 − 1500 = 3662 W

Risposta

Pcu,fl = 3662 W
21.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vin,max = 1,182 V

Regole dell’amplificatore operazionale ideale: con retroazione negativa, l’amplificatore porta la sua uscita al valore per cui i due ingressi sono alla stessa tensione (V₋ = V₊), e nessuna corrente entra negli ingressi. Scrivendo la LKC all’ingresso invertente con questi due fatti si ottiene l’uscita.

Guadagno

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 10/1 = 11

Massimo ingresso prima del taglio

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/11 = 1,182 V

Risposta

Vin,max = 1,182 V
22.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: t = 27,42 ms

Regole dell’amplificatore operazionale ideale: con retroazione negativa, l’amplificatore porta la sua uscita al valore per cui i due ingressi sono alla stessa tensione (V₋ = V₊), e nessuna corrente entra negli ingressi. Scrivendo la LKC all’ingresso invertente con questi due fatti si ottiene l’uscita.

Corrente d’ingresso e velocità di variazione

kΩ per µF dà millisecondi.

RC = 47 kΩ · 0,1 µF = 4,7 ms
velocità di variazione = −Vin/(RC) = −2,4/4,7 = −0,5106 V/ms

Tempo fino alla saturazione

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 14·4,7/2,4 = 27,42 ms

Risposta

t = 27,42 ms
23.Diodi e transistor

Risposta: IC = 3,863 mA

Punto di lavoro del BJT: in zona attiva VBE = 0,7 V, IC = β·IB e IE = (β + 1)·IB. Trova IB dalla maglia di base con la LKT, poi IC, poi VCE dalla maglia collettore–emettitore. Un partitore di tensione sulla base si sostituisce con il suo equivalente di Thévenin VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; un resistore di emettitore appare (β + 1) volte più grande nella maglia di base.

Equivalente di Thévenin del partitore

VTH = 20·6,8/(22 + 6,8) = 4,722 V
RTH = 22·6,8/(22 + 6,8) = 5,194 kΩ

Corrente di base

LKT lungo la maglia di base; la corrente di emettitore è (β + 1)·IB.

IB = (4,722 − 0,7)/(5,194 + 151·1) = 25,75 µA

Corrente di collettore

IC = 150·25,75 µA = 3,863 mA
IE = 151·25,75 µA = 3,888 mA

Risposta

IC = 3,863 mA
24.Diodi e transistor

Risposta: IC = 23,8 mA

BJT come interruttore: per accendere completamente un carico, il transistor viene portato in saturazione, dove VCE = VCE(sat) e la corrente di collettore è determinata dal carico: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. La saturazione richiede almeno IB = IC(sat)/β. Se la corrente di base è minore, il transistor resta in zona attiva e IC = β·IB.

Corrente di base

IB = (3,3 − 0,7)/4,7 kΩ = 553,2 µA

Saturo o in zona attiva?

β·IB è maggiore di IC(sat), quindi il transistor satura.

β·IB = 82,98 mA
IC(sat) = (24 − 0,2)/1000 = 23,8 mA

Corrente di collettore

IC = IC(sat) = 23,8 mA

Risposta

IC = 23,8 mA

Il transistor è saturo.

25.Sistemi di numerazione

Risposta: N = −98

Sistemi di numerazione posizionali: ogni cifra vale il suo valore per una potenza della base. In binario le posizioni valgono 1, 2, 4, 8, 16, …; in esadecimale 1, 16, 256, …, con A–F per 10–15. Nel complemento a due a 8 bit il bit più a sinistra vale −128 invece di +128: così si memorizzano i numeri negativi.

Somma i pesi

Gli altri bit mantengono i loro normali valori positivi.

−128 + 16 + 8 + 4 + 2 = −98

Risposta

N = −98
26.Sistemi di numerazione

Risposta: R = 133

Impostare i bit: ogni bit vale una potenza di due (128, 64, …, 1). Una cifra esadecimale è esattamente quattro bit, e nel complemento a due a 8 bit il bit più a sinistra vale −128. Le operazioni bit a bit lavorano su ogni posizione di bit separatamente.

Bit per bit

AND dà 1 solo dove entrambi i bit sono 1.

1110 1101
AND 1000 0111
= 1000 0101

Valore del risultato

1000 0101₂ = 133

Risposta

R = 133
27.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flop

Risposta: L = 8

Mappe di Karnaugh: le celle sono ordinate in codice Gray (00, 01, 11, 10), quindi le celle vicine, comprese quelle attraverso i bordi, differiscono per esattamente una variabile. Raggruppa gli 1 in rettangoli di 1, 2, 4, 8 o 16 celle, i più grandi e il meno numerosi possibile, finché ogni 1 non è coperto. Ogni gruppo è un termine prodotto: le variabili che restano costanti al suo interno. Un gruppo di 2ᵏ celle perde k variabili. Le condizioni di indifferenza (X) possono servire a ingrandire i gruppi ma non devono mai essere coperte. Raggruppando invece gli 0 si ottiene la forma POS minima.

ABCD000111100001111000010312041517160120131151140809011010

Raggruppa gli 1

Ogni gruppo è un rettangolo di 2ᵏ celle; le celle di bordo sono vicine alle celle del bordo opposto.

BC
A′CD′
A′BD

Forma SOP minima

F = BC + A′CD′ + A′BD
L = 8

Risposta

L = 8
28.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flop

Risposta: N = 3

Flip-flop e contatori: un flip-flop cambia solo sul fronte attivo del clock. D copia il suo ingresso (Q⁺ = D); T commuta quando T = 1; JK mantiene per 00, azzera per 01, imposta a 1 per 10 e commuta per 11. Un contatore binario a n bit ha 2ⁿ stati e conta modulo 2ⁿ; un contatore modulo N conta 0, 1, …, N − 1 e torna a 0, e richiede il minimo n con 2ⁿ ≥ N flip-flop. Ogni stadio di un contatore asincrono (ripple) dimezza la frequenza, quindi l’ultima uscita di un contatore modulo N ha frequenza fclk/N. Un contatore Johnson di n flip-flop ha 2n stati, un contatore ad anello n.

Q dopo ogni fronte

Un flip-flop T commuta a ogni fronte di salita con T = 1 e mantiene con T = 0.

1: T = 0 → Q = 0
2: T = 0 → Q = 0
3: T = 1 → Q = 1
4: T = 1 → Q = 0
5: T = 0 → Q = 0
6: T = 0 → Q = 0
7: T = 1 → Q = 1
8: T = 0 → Q = 1

Conta le variazioni

0 → 0 → 0 → 1 → 0 → 0 → 0 → 1 → 1
N = 3

Risposta

N = 3
29.Trasformate di Laplace

Risposta: f(0.75) = 0,9023

Trasformata di Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt trasforma le derivate in moltiplicazioni per s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Coppie standard: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e una traslazione s → s + σ moltiplica la funzione nel tempo per e−σt. Per antitrasformare una F(s) razionale, scomponila in fratti semplici: il residuo di un polo semplice p è A = [(s − p)·F(s)] in s = p. Teorema del valore finale: f(∞) = lims→0 s·F(s), valido solo quando tutti i poli di s·F(s) giacciono nel semipiano sinistro. Teorema del valore iniziale: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Fratti semplici

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 3)
A = 10/(2·3) = 1,667
B = 10/((−2)·1) = −5
C = 10/((−3)·(−1)) = 3,333

Antitrasformata

f(t) = 1,667 − 5·e−2t + 3,333·e−3t

Calcola

f(0,75) = 1,667 − 5·e−2·0,75 + 3,333·e−3·0,75 = 0,9023

Risposta

f(0,75) = 0,9023
30.Trasformate di Laplace

Risposta: g(0.2) = 0,7554

Trasformata di Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt trasforma le derivate in moltiplicazioni per s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Coppie standard: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e una traslazione s → s + σ moltiplica la funzione nel tempo per e−σt. Per antitrasformare una F(s) razionale, scomponila in fratti semplici: il residuo di un polo semplice p è A = [(s − p)·F(s)] in s = p. Teorema del valore finale: f(∞) = lims→0 s·F(s), valido solo quando tutti i poli di s·F(s) giacciono nel semipiano sinistro. Teorema del valore iniziale: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Funzione di trasferimento

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 10)/(s² + 10s + 24)

Fratti semplici

s² + 10s + 24 = (s + 4)(s + 6)
A = −1, B = 4

Risposta all’impulso

g(t) = −e−4t + 4·e−6t
g(0,2) = 0,7554

Risposta

g(0,2) = 0,7554
31.Schemi a blocchi

Risposta: css = 11,69

Algebra degli schemi a blocchi: i blocchi in serie si moltiplicano (G₁·G₂), i blocchi in parallelo si sommano (G₁ + G₂), e un anello con cammino diretto G e cammino di retroazione H si riduce a T = G/(1 + G·H) per la retroazione negativa e a G/(1 − G·H) per la retroazione positiva. Riduci prima gli anelli interni, poi procedi verso l’esterno. I poli ad anello chiuso sono le radici dell’equazione caratteristica 1 + G(s)H(s) = 0. Per un anello stabile, un ingresso a gradino di ampiezza A dà l’uscita a regime A·T(0); con retroazione unitaria l’errore a regime a un gradino è A/(1 + Kp) con Kp = G(0).

Funzione di trasferimento ad anello chiuso

T(s) = G/(1 + G·H) = 38/(s + 2 + 76) = 38/(s + 78)

Risultato

css = R·T(0) = 24·38/78 = 11,69

Risposta

css = 11,69
32.Schemi a blocchi

Risposta: K = 19

Algebra degli schemi a blocchi: i blocchi in serie si moltiplicano (G₁·G₂), i blocchi in parallelo si sommano (G₁ + G₂), e un anello con cammino diretto G e cammino di retroazione H si riduce a T = G/(1 + G·H) per la retroazione negativa e a G/(1 − G·H) per la retroazione positiva. Riduci prima gli anelli interni, poi procedi verso l’esterno. I poli ad anello chiuso sono le radici dell’equazione caratteristica 1 + G(s)H(s) = 0. Per un anello stabile, un ingresso a gradino di ampiezza A dà l’uscita a regime A·T(0); con retroazione unitaria l’errore a regime a un gradino è A/(1 + Kp) con Kp = G(0).

Risposta al disturbo

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 2·6/(6 + 6K)

Risolvi per K

6 + 6K = 2·6/0,1 = 120
K = (120 − 6)/6 = 19

Risposta

K = 19
33.Risposta al gradino

Risposta: σ = −2

Risposta al gradino: un sistema del primo ordine G(s) = K/(τs + 1) risponde a un gradino di ampiezza U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): raggiunge il 63,2 % del valore finale K·U dopo una costante di tempo τ e il 98 % dopo 4τ. Un sistema del secondo ordine G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ha i poli s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Per 0 < ζ < 1 la risposta al gradino ha sovraelongazione: sovraelongazione percentuale %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo di picco tp = π/ωd, e tempo di assestamento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Confronta il denominatore con s² + 2ζωₙs + ωₙ² per ricavare ωₙ e ζ. Per un sistema massa-molla-smorzatore ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); per un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Confronta con la forma standard

Il denominatore deve coincidere con s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 42 → ωₙ = 6,481 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·6,481) = 0,3086

Risultato

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

Risposta

σ = −2
34.Risposta al gradino

Risposta: ωn = 1,682 rad/s

Risposta al gradino: un sistema del primo ordine G(s) = K/(τs + 1) risponde a un gradino di ampiezza U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): raggiunge il 63,2 % del valore finale K·U dopo una costante di tempo τ e il 98 % dopo 4τ. Un sistema del secondo ordine G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ha i poli s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Per 0 < ζ < 1 la risposta al gradino ha sovraelongazione: sovraelongazione percentuale %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo di picco tp = π/ωd, e tempo di assestamento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Confronta il denominatore con s² + 2ζωₙs + ωₙ² per ricavare ωₙ e ζ. Per un sistema massa-molla-smorzatore ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); per un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Fattore di smorzamento

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 1,204/√(9,87 + 1,45) = 0,3579

Frequenza naturale

ωd = π/tp = π/2 = 1,571 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 1,571/0,9338 = 1,682 rad/s

Risposta

ωn = 1,682 rad/s
35.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |G(jω)| = 16,06 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(j8)| = 1080/(√(8² + 6²)·√(8² + 15²)) = 1080/(10·17) = 6,353

Risultato

20·log₁₀(6,353) = 16,06 dB

Risposta

|G(jω)| = 16,06 dB
36.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ωc = 4,998 rad/s

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 + 16ω² − 1024 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·1024))/2 = 24,98
ωc = 4,998 rad/s

Risposta

ωc = 4,998 rad/s
37.Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radici

Risposta: N = 2

Criterio di Routh–Hurwitz: un sistema lineare è stabile quando tutte le radici del suo polinomio caratteristico stanno nel semipiano sinistro del piano s. Scrivi i coefficienti alternati nelle prime due righe della tabella di Routh. Ogni elemento di una nuova riga si ricava dalle due righe sopra; per un polinomio cubico a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ l’elemento della riga s¹ è b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Il numero di cambi di segno nella prima colonna è uguale al numero di radici nel semipiano destro. Con un guadagno K nei coefficienti, ogni elemento della prima colonna deve restare positivo: il guadagno che annulla l’elemento della riga s¹ è il limite di stabilità, e la riga s² dà poi la frequenza dell’oscillazione sostenuta.

Polinomio caratteristico

s³ + 7s² + 6s + 84 = 0

Tabella di Routh

s³: 1, 6
s²: 7, 84
s¹: −6
s⁰: 84

Cambi di segno nella prima colonna

1 → 7 → −6 → 84
N = 2

Risposta

N = 2

Il guadagno è sopra il limite K = 42, quindi una coppia complessa è passata nel semipiano destro.

38.Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radici

Risposta: K = 16

Luogo delle radici: al variare del guadagno K da 0 a ∞, i poli ad anello chiuso, cioè le radici di 1 + K·G(s) = 0, si spostano dai poli ad anello aperto agli zeri ad anello aperto o all’infinito. Un punto dell’asse reale appartiene al luogo quando il numero di poli e zeri reali alla sua destra è dispari. Gli n − m rami che vanno all’infinito seguono asintoti con angoli (2q + 1)·180°/(n − m), che partono dal centro σₐ = (Σ poli − Σ zeri)/(n − m). I rami lasciano o raggiungono l’asse reale dove dK/ds = 0. La condizione sull’angolo ∠G(s) = 180° fissa la forma, e la condizione sul modulo K = 1/|G(s)| dà il guadagno in ogni punto del luogo.

Punto di diramazione

dK/ds = 0 per K = −(s + 3)(s + 11) dà 2s + 14 = 0.

sb = −7

Condizione sul modulo

K = |−7 + 3|·|−7 + 11| = 4·4 = 16

Risposta

K = 16

Con questo guadagno l’anello chiuso è a smorzamento critico (ζ = 1).

39.Errore a regime e controllo PID

Risposta: ess = 0,8333

Errore a regime: in un anello a retroazione unitaria con funzione di trasferimento ad anello aperto G(s) l’errore è E(s) = R(s)/(1 + G(s)), e per il teorema del valore finale ess = lims→0 s·E(s). Il tipo del sistema è il numero di poli di G(s) in s = 0. Le costanti d’errore sono Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) e Ka = lim s²·G(s), tutte per s → 0. Un gradino di ampiezza A dà ess = A/(1 + Kp), una rampa A·t dà A/Kv e una parabola A·t²/2 dà A/Ka. Un anello di tipo 0 segue un gradino con un errore finito, un anello di tipo 1 lo segue esattamente e segue una rampa con un errore finito.

Costante di velocità

Kv = lim s·G(s) = 0,6

Errore alla rampa

ess = 0,5/0,6 = 0,8333

Risposta

ess = 0,8333
40.Errore a regime e controllo PID

Risposta: ess = 0,5

Controllo P, PI e PID: il controllore C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s agisce sull’errore. Un guadagno proporzionale rende l’anello più veloce e riduce l’errore di un sistema di tipo 0, ma non lo elimina mai. Il termine integrale aggiunge un polo in s = 0: il tipo del sistema sale di uno e un gradino viene seguito senza errore. Il termine derivativo aggiunge smorzamento. Per scegliere i guadagni, scrivi il polinomio caratteristico ad anello chiuso e confrontalo con s² + 2ζωns + ωn². Poi %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd con ωd = ωn√(1 − ζ²), e ts ≈ 4/(ζωn).

Costante di velocità

s·C(s) = 5s + 4 → 4 per s → 0.

Kv = 4·5/5 = 4

Errore alla rampa

ess = 2/4 = 0,5

Risposta

ess = 0,5

Il controllore PI elimina completamente l’errore al gradino; una rampa viene seguita con un ritardo costante.

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