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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
Parti dall’estremità della rete più lontana dai morsetti.
Combina i resistori in serie sommandoli e quelli in parallelo con 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Ridisegna il circuito dopo ogni passaggio.
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
Scegli un nodo di riferimento (massa) e indica le tensioni degli altri nodi.
Scrivi la legge di Kirchhoff delle correnti in ogni nodo incognito: le correnti uscenti attraverso i rami sono uguali a quelle entranti.
Esprimi ogni corrente di ramo come (Va − Vb)/R.
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
Disegna una corrente in senso orario in ogni maglia (finestra) del circuito.
Applica la legge di Kirchhoff delle tensioni lungo ogni maglia: la somma delle cadute di tensione è zero.
In un resistore comune a due maglie la corrente è la differenza delle due correnti di maglia.
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
Conta i generatori indipendenti. Risolverai un circuito più semplice per ogni generatore.
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).
Risolvi il circuito più semplice per la tensione o la corrente che ti serve, tenendo conto del suo verso.
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
Togli il carico e indica i due morsetti a e b.
Trova la tensione a vuoto tra a e b: questa è Vth.
Spegni tutti i generatori indipendenti e trova la resistenza vista da a–b: questa è Rth.
Ricollega il carico al circuito equivalente: Vth in serie con Rth.
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
Trova il valore iniziale subito dopo la commutazione: la tensione di un condensatore e la corrente di un induttore non possono variare a scatto.
Trova il valore finale molto tempo dopo la commutazione: un condensatore si comporta come un circuito aperto, un induttore come un cortocircuito.
Trova la costante di tempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistenza vista dal condensatore o dall’induttore.
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
Converti la frequenza: ω = 2πf.
Trova ogni reattanza: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
Somma le impedenze come resistori, con Z = R + jX.
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
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.
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.
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.
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
Scrivi il polinomio caratteristico ad anello chiuso: il denominatore di 1 + K·G(s) = 0, sviluppato.
Inserisci i coefficienti alternati nelle prime due righe della tabella di Routh e costruisci le righe rimanenti.
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.
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
Conta i poli dell’anello aperto C(s)·G(s) in s = 0: è il tipo del sistema.
Calcola la costante d’errore corrispondente all’ingresso: Kp per un gradino, Kv per una rampa, Ka per una parabola.
Applica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, oppure risolvi per il guadagno che ti serve.
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
Trova la corrente IR1 erogata dal generatore, che scorre in R1.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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.
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
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
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.
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).
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.
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.
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).
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).
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).
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.
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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