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​ = 20 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​20 ΩB

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

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
2.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBR6​15 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 9 VR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 ΩR5 = 30 ΩR6 = 15 Ω
Req = Ω
3.Analisi nodaleMedia
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​12 ΩBIs​4 A

Usa l’analisi nodale per trovare la corrente IR1 in R1 nel verso della freccia.

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
4.Analisi nodaleDifficile
R1​ = 3 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​36 VR3​30 ΩAR5​2 ΩBIs​0,5 A+−V2​24 V

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

V1 = 36 VIs = 0,5 AV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 30 ΩR4 = 3 ΩR5 = 2 Ω
VA = V
5.Analisi alle maglieMedia
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​30 VR3​20 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
I1 = A
6.Analisi alle maglieDifficile
R1​ = 3 ΩIR1​R2​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR4​12 ΩAR5​10 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

Usa l’analisi alle maglie per trovare la corrente IR1 in R1 nel verso della freccia.

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 ΩR5 = 10 Ω
IR1 = A
7.Sovrapposizione degli effettiMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 ΩIR3​+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​8 ΩBIs​4 A

Usa la sovrapposizione degli effetti per trovare la corrente IR3 in R3 nel verso della freccia.

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
8.Sovrapposizione degli effettiDifficile
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 Ω+−VR2​R4​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​4 ΩAIs​3 AB+−V2​6 V

Usa la sovrapposizione degli effetti per trovare la tensione VR2 ai capi di R2 con la polarità indicata.

V1 = 24 VIs = 3 AV2 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
VR2 = V
9.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
10.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 25 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​4 ABRL​4 ΩIL​

Un carico RL = 4 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 9 VIs = 4 AR1 = 25 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 ΩRL = 4 Ω
PL = W
11.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R = 15 ΩL22 mHi(t)

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

Vs = 15 VR = 15 ΩL = 22 mH
W(∞) = mJ
12.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​24 Vt = 0R = 6,8 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 3 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 120 ms.

Vs = 24 VR = 6,8 kΩC = 33 µFvC(0) = 3 Vt = 120 ms
vC = V
13.Impedenza AC e fasoriMedia
12 V500 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 22 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 500 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 22 µF
I = A
14.Impedenza AC e fasoriDifficile
120 V200 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 200 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
VC = V
15.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
120 VR + jXP = 540 W5 A

Un carico induttivo assorbe 5 A e 540 W da un’alimentazione monofase da 120 V (efficaci). Modellalo come una resistenza R in serie con una reattanza X. Trova X.

V = 120 VI = 5 AP = 540 W
X = Ω
16.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P1​ = 61 kWQ1​S1​φ

Un trasformatore monofase da 200 kVA alimenta un carico di 61 kW con fattore di potenza 0,65 induttivo. Quanta potenza attiva in più ΔP si può aggiungere come carico resistivo (fattore di potenza unitario) prima che il trasformatore raggiunga la sua potenza nominale in kVA?

Smax = 200 kVAP1 = 61 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
17.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 415 VIL​ = 120 Acos φ = 0,82in ritardo

Un carico trifase equilibrato assorbe una corrente di linea di 120 A da una rete con una tensione concatenata di 415 V. Il fattore di potenza è 0,82 in ritardo. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 415 VIL = 120 Acos φ = 0,82
P = kW
18.Sistemi trifaseDifficile
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 60 kW con un fattore di potenza di 0,78 in ritardo da una rete a 480 V (tensione concatenata) e 60 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,95 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 60 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.TrasformatoriMedia
4800 V240 VIHV​ILV​ = ?10 kVA

Un trasformatore monofase da 10 kVA, 4800/240 V funziona al carico nominale. Consideralo ideale. Trova la corrente ILV nell’avvolgimento di bassa tensione.

S = 10 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
ILV = A
20.TrasformatoriDifficile
pf 0,95500 kVA, 25% carico

Un trasformatore monofase da 500 kVA ha perdite nel ferro di 2500 W e perdite nel rame di 10000 W al carico nominale. Fornisce il 25% dei suoi kVA nominali con un fattore di potenza di 0,95 in ritardo. Trova le perdite totali Ploss in watt a questo carico.

S = 500 kVAPcore = 2500 WPcu,fl = 10000 Wx = 0,25pf = 0,95
Ploss = W
21.Circuiti con amplificatori operazionaliMedia
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 1 kΩVin​

Scegli il resistore di retroazione Rf che dà a questo amplificatore non invertente un guadagno di tensione di 8.

R1 = 1 kΩAv = 8
Rf = kΩ
22.Circuiti con amplificatori operazionaliDifficile
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 0,7 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1,6 VR3​ = 2 kΩR4​ = 100 kΩ

L’amplificatore operazionale è ideale ed è alimentato a ±15 V. I rapporti tra i resistori non sono bilanciati. Trova la tensione d’uscita Vout.

V1 = 0,7 VV2 = 1,6 VR1 = 22 kΩR2 = 22 kΩR3 = 2 kΩR4 = 100 kΩ
Vout = V
23.Diodi e transistorMedia
RC​ = 1 kΩβ = 80RE​ = 470 ΩVCC​ = 15 VR1​ = 82 kΩR2​ = 22 kΩ

Un transistor NPN con β = 80 è polarizzato con un partitore di tensione da VCC = 15 V: R₁ = 82 kΩ da VCC alla base e R₂ = 22 kΩ dalla base a massa. Il resistore di collettore è RC = 1 kΩ e il resistore di emettitore è RE = 470 Ω. Assumi VBE = 0,7 V e usa l’equivalente di Thévenin del partitore (non trascurare la corrente di base). Trova la tensione collettore–emettitore VCE.

VCC = 15 VR1 = 82 kΩR2 = 22 kΩRC = 1 kΩRE = 470 Ωβ = 80
VCE = V
24.Diodi e transistorDifficile
+−≥ 24 VR = ?3,3 V≤ 40 mA

Un regolatore Zener da 3,3 V deve fornire fino a 40 mA a un carico. L’ingresso può scendere a 24 V e lo Zener richiede almeno 2 mA per regolare. Trova la massima resistenza in serie Rmax che lo mantiene in regolazione.

Vin,min = 24 VVZ = 3,3 VIL,max = 40 mAIZ,min = 2 mA
Rmax = Ω
25.Sistemi di numerazioneMedia
pesi nel complemento a due0−12816413201618141211

La sequenza a 8 bit 0110 1111 memorizza un intero con segno in complemento a due. Qual è il suo valore N in decimale?

0110 11118 bit
N =
26.Sistemi di numerazioneDifficile
clicca i bit per impostarli012806403201608040201

Imposta i bit sul risultato a 8 bit di 1101 1101 OR 0011 1011. Qual è il valore R del risultato in decimale?

1101 1101OR0011 1011
R =
27.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flopMedia
ABCD000111100001111000010312040507060121131150141819111010

Usa la mappa di Karnaugh per trovare la forma minima a somma di prodotti (SOP) di F(A, B, C, D) = Σm(2, 8, 9, 11, 13, 15). Quanti letterali L contiene in totale (una variabile con apice conta come un letterale)?

F(A, B, C, D) = Σm(2, 8, 9, 11, 13, 15)
L =
28.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flopDifficile
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKRING

Un contatore ad anello a 4 bit Q₃Q₂Q₁Q₀ parte da 1010. A ogni fronte di clock i bit scorrono di una posizione a destra (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀) e Q₃ riceve Q₀. Dai lo stato Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ come numero decimale dopo 7 fronti di clock.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 10107
Q =
29.Trasformate di LaplaceMedia
ReIm5

Trova f(t) per F(s) = 17/(s² + 8s + 41) completando il quadrato, e calcola f(0,2).

F(s) = 17/(s² + 8s + 41)t = 0,2 s
f(0.2) =
30.Trasformate di LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Un sistema obbedisce a y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t), con y(0) = 1 e y′(0) = 0. A t = 0 viene applicato un ingresso a gradino u(t) = 5. Usa la trasformata di Laplace per trovare y(0,3).

y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,3 s
y(0.3) =
31.Schemi a blocchiMedia
R(s)+3(s + 4)(s + 3)(s + 6)G(s)C(s)−

Un anello di retroazione negativa unitaria ha G(s) = 3(s + 4)/((s + 3)(s + 6)). Al riferimento viene applicato un gradino di ampiezza 10. Trova l’errore a regime ess.

G(s) = 3(s + 4)/((s + 3)(s + 6))R = 10
ess =
32.Schemi a blocchiDifficile
R(s)+6s + 2G₁+3s + 3G₂C(s)1H₁−1H₂−

Riduci lo schema a blocchi con G₁ = 6/(s + 2), G₂ = 3/(s + 3), una retroazione negativa interna H₁ = 1 attorno a G₂ e una retroazione negativa esterna H₂ = 1. Trova il guadagno in continua T(0) di C(s)/R(s).

G₁ = 6/(s + 2)G₂ = 3/(s + 3)H₁ = 1H₂ = 1
T(0) =
33.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)1

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 97/(s² + 12s + 97) e riceve un ingresso a gradino unitario. I poli sono s = σ ± jωd. Trova la parte reale σ.

G(s) = 97/(s² + 12s + 97)
σ =
34.Risposta al gradinoDifficile
+−12 VR = 57 ΩL = 200 mHC = 10 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 57 Ω, L = 200 mH e C = 10 µF è collegato a un gradino da 12 V a t = 0. Il condensatore è scarico e prima del gradino non circola corrente. Trova la sovraelongazione percentuale %OS della tensione del condensatore.

R = 57 ΩL = 200 mHC = 10 µFV = 12 V
%OS = %
35.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​L = 10 mHC = 4,7 µFR = 20 Ωvout​

Nel filtro passa-banda RLC serie mostrato l’uscita è prelevata ai capi di R = 20 Ω, con L = 10 mH e C = 4,7 µF. Trova la larghezza di banda a −3 dB BW in Hz.

R = 20 ΩL = 10 mHC = 4,7 µF
BW = Hz
36.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 190/(s(s + 10)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.

L(s) = 190/(s(s + 10))
ωc = rad/s
37.Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radiciMedia
R(s)+K = 1681s(s + 6)(s + 8)C(s)−

L’anello nello schema funziona con K = 168 e L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8)). Di quale fattore m si può aumentare il guadagno prima che l’anello chiuso diventi instabile?

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))K = 168
m =
38.Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radiciDifficile
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81j1j2sb​

È mostrato il luogo delle radici di L(s) = K/((s + 1)(s + 7)). 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 + 1)(s + 7))
K =
39.Errore a regime e controllo PIDMedia
r(t) = 1 + 3t+10s(s + 1)(s + 4)C(s)−

L’ingresso r(t) = 1 + 3t (un gradino più una rampa) è applicato a un anello a retroazione unitaria con G(s) = 10/(s(s + 1)(s + 4)). Trova l’errore a regime ess.

G(s) = 10/(s(s + 1)(s + 4))r(t) = 1 + 3t
ess =
40.Errore a regime e controllo PIDDifficile
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 4C(s)−

Un controllore PI C(s) = Kp + Ki/s comanda il sistema G(s) = 5/(s + 4) in un anello a retroazione unitaria. L’anello chiuso deve avere ωₙ = 8 rad/s e ζ = 0,5. Trova il guadagno proporzionale Kp.

G(s) = 5/(s + 4)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,5
Kp =

3Soluzioni

1.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,4409 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​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​20 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 = 5 + 20 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Req = R1 + 2,679 = 20 + 2,679 = 22,68 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 = 10/22,68 = 0,4409 A

Risposta

IR1 = 0,4409 A
2.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 38,47 Ω

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​ = 30 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBR6​15 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 = 30 + 15 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 13,85 Ω
R3 + 13,85 = 28,85 Ω
R2 ∥ 28,85 = 8,475 Ω
Req = R1 + 8,475 = 30 + 8,475 = 38,47 Ω

Risposta

Req = 38,47 Ω
3.Analisi nodale

Risposta: IR1 = 2,285 A

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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​12 ΩBIs​4 A

Imposta i nodi

La massa è il filo in basso. Le tensioni di nodo note vengono direttamente dai generatori (V1 = 15 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/20 + (VA − 15)/10 + (VA − VB)/3 = 0
0,4833·VA − 0,3333·VB = 1,5

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)/3 = (−4)
−0,3333·VA + 0,4167·VB = −4

Risolvi

Δ = (0,4833)(0,4167) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,09028
VA = Δ1/Δ = −0,7083/0,09028 = −7,846 V
VB = Δ2/Δ = −1,433/0,09028 = −15,88 V

Risposta

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − −7,846)/10 = 2,285 A
4.Analisi nodale

Risposta: VA = 24,98 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​ = 3 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​36 VR3​30 ΩAR5​2 ΩBIs​0,5 A+−V2​24 V

Imposta i nodi

La massa è il filo in basso. Le tensioni di nodo note vengono direttamente dai generatori (V1 = 36 V, V2 = 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/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/30 + (VA − 36)/3 + (VA − VB)/4 = 0
0,6167·VA − 0,25·VB = 12

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/2 + (VB − VA)/4 + (VB − 24)/3 = 0,5
−0,25·VA + 1,083·VB = 8,5

Risolvi

Δ = (0,6167)(1,083) − (−0,25)(−0,25) = 0,6056
VA = Δ1/Δ = 15,13/0,6056 = 24,98 V
VB = Δ2/Δ = 8,242/0,6056 = 13,61 V

Risposta

VA = 24,98 V
5.Analisi alle maglie

Risposta: I1 = 1,846 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​ = 10 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​30 VR3​20 ΩA+−V2​9 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
10·I1 + 20(I1 − I2) = 30
30·I1 − 20·I2 = 30

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
2·I2 + 20(I2 − I1) = (−9)
−20·I1 + 22·I2 = −9

Risolvi

Δ = (30)(22) − (−20)(−20) = 260
I1 = Δ1/Δ = 480/260 = 1,846 A
I2 = Δ2/Δ = 330/260 = 1,269 A

Risposta

I1 = 1,846 A

Una corrente di maglia negativa scorre in senso antiorario.

6.Analisi alle maglie

Risposta: IR1 = 3,467 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​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR4​12 ΩAR5​10 ΩB+−V2​9 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
3·I1 + 12(I1 − I2) = 30
15·I1 − 12·I2 = 30

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
3·I2 + 12(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 25·I2 − 10·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
12·I3 + 10(I3 − I2) = (−9)
−10·I2 + 22·I3 = −9

Risolvi

Δ = determinante della matrice dei coefficienti = 3582
I1 = Δ1/Δ = 12420/3582 = 3,467 A
I2 = Δ2/Δ = 6570/3582 = 1,834 A
I3 = Δ3/Δ = 1521/3582 = 0,4246 A

Risposta

IR1 = I1 = 3,467 A

Una corrente di maglia negativa scorre in senso antiorario.

7.Sovrapposizione degli effetti

Risposta: IR3 = −2,384 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​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​8 ΩBAPERTO

Caso 1 · V1 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 = 6+8 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·14/(4+14) = 3,111 Ω
VA = 15·3,111/(5+3,111) = 5,753 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,753·8/14 = 3,288 V
IR3′ = (VB − VA)/R3 = (3,288 − 5,753)/6 = −0,411 A
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​4 ΩAR4​8 ΩBIs​4 A

Caso 2 · Is da solo

V₁ diventa un cortocircuito, quindi R₁ è in parallelo con R₂. Iₛ si divide in B tra R₄ e il percorso attraverso R₃.

R1 ∥ R2 = 5·4/(5+4) = 2,222 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 8,222 = 4,055 Ω
VB = Is·Req = (−4)·4,055 = −16,22 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −16,22·2,222/8,222 = −4,384 V
IR3″ = (VB − VA)/R3 = (−16,22 − −4,384)/6 = −1,973 A

Somma i contributi

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = (−0,411) + (−1,973) = −2,384 A

Un risultato negativo significa che in realtà la corrente scorre contro la freccia.

8.Sovrapposizione degli effetti

Risposta: VR2 = −22,04 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​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​4 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) = 4 ∥ 37 = 3,61 Ω
VA = 24·3,61/(10+3,61) = 6,366 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,366·12/37 = 2,065 V
VR2′ = VA − VB = 6,366 − 2,065 = 4,301 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 12 ΩCORTOR3​4 ΩAIs​3 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 = 2,857 Ω, quindi il ramo sinistro è R2+2,857 = 27,86 Ω
Req = R4 ∥ 27,86 = 8,387 Ω
VB = Is·Req = 3·8,387 = 25,16 V
VA = VB·2,857/27,86 = 2,581 V
VR2″ = VA − VB = 2,581 − 25,16 = −22,58 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 12 ΩCORTOR3​4 ΩAAPERTOB+−V2​6 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 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·27,86/39,86 = 4,194 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,194·2,857/27,86 = 0,4301 V
VR2‴ = VA − VB = 0,4301 − 4,194 = −3,763 V

Somma i contributi

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 4,301 + (−22,58) + (−3,763) = −22,04 V

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

9.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 0,2143 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​ = 4 ΩCORTOR2​20 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 4 = 14 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAab+−Vth​

Trova Vth, la tensione a vuoto

Con a–b aperti, in R₃ non scorre corrente, quindi non c’è caduta su di essa e V_b = V_A. R₁ e R₂ formano un partitore di tensione.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 6·20/(20+20) = 3 V
IN​0,2143 ARth​14 Ωab

Equivalente di Norton

Un generatore di Norton è lo stesso circuito visto come un generatore di corrente in parallelo con R_th. La sua corrente è la corrente di cortocircuito tra a–b.

IN = Vth/Rth = 3/14 = 0,2143 A
10.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 55,44 W

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​ = 25 ΩR3​ = 25 ΩCORTOR2​25 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 = 25·25/(25+25) = 12,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 12,5 + 25 = 37,5 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​4 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) = 4,5 + 4·12,5 = 54,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 54,5 + 4·25 = 154,5 V
Rth​ = 37,5 Ω+−Vth​154,5 VRL​4 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) = 154,5/(37,5 + 4) = 3,723 A
PL = IL²·RL = 3,723²·4 = 55,44 W
11.Transitori RC e RL

Risposta: W(∞) = 11 mJ

Transitori del primo ordine: in un circuito con un solo condensatore o un solo induttore, ogni tensione e corrente passa esponenzialmente dal valore iniziale a quello finale: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Dopo circa 5τ il circuito si è assestato.

Costante di tempo e corrente finale

Molto tempo dopo la chiusura dell’interruttore l’induttore si comporta come un cortocircuito, quindi la corrente finale dipende solo da R.

τ = L/R = 22 mH / 15 Ω = 1,467 ms
i(∞) = Vs/R = 15/15 = 1 A

Energia immagazzinata

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·22·1² = 11 mJ

Risposta

W(∞) = 11 mJ
12.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 11,7 V

Transitori del primo ordine: in un circuito con un solo condensatore o un solo induttore, ogni tensione e corrente passa esponenzialmente dal valore iniziale a quello finale: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Dopo circa 5τ il circuito si è assestato.

Valore iniziale, valore finale, costante di tempo

La tensione del condensatore non può saltare, quindi parte dal valore immagazzinato e tende alla tensione del generatore.

vC(0) = 3 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 33 µF = 224,4 ms
vC(t) = 24 + (3 − 24)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(120) = 24 + (−21)·e−120/224,4 = 11,7 V

Risposta

vC = 11,7 V
13.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,03869 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) = √(80² + (299,7)²) = 310,2 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 12/310,2 = 0,03869 A

Risposta

I = 0,03869 A
14.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 318,4 V

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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,2 = 251,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·2,2·10⁻⁶) = 361,7 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−110,4)²) = 136,3 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 120/136,3 = 0,8802 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 0,8802·361,7 = 318,4 V

Risposta

VC = 318,4 V
15.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: X = 10,46 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 = 540/5² = 21,6 Ω

Reattanza dall’impedenza

|Z| = V/I = 120/5 = 24 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(24² − 21,6²) = 10,46 Ω

Risposta

X = 10,46 Ω
16.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: ΔP = 125,9 kW

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.

Potenza reattiva del carico esistente

Q1 = 61·tan(arccos 0,65) = 71,32 kvar

Massima potenza attiva totale

Alla potenza nominale S = Smax, e Q non cambia con il carico resistivo.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 71,32²) = 186,9 kW

Potenza attiva aggiuntiva

ΔP = 186,9 − 61 = 125,9 kW

Risposta

ΔP = 125,9 kW
17.Sistemi trifase

Risposta: P = 70,73 kW

Sistemi trifase equilibrati: in un collegamento a stella (Y) la tensione concatenata è √3 volte la tensione di fase, VL = √3·Vph, e la corrente di linea è uguale alla corrente di fase. In un collegamento a triangolo (Δ) la tensione concatenata è uguale alla tensione di fase e la corrente di linea è √3 volte la corrente di fase, IL = √3·Iph. La potenza totale è tre volte la potenza di una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Potenza apparente

S = √3·VL·IL = √3·415·120 = 86,26 kVA

Potenza attiva

P = S·cos φ = 86,26·0,82 = 70,73 kW

Risposta

P = 70,73 kW
18.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 109 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 = 60·tan(acos 0,78) = 60·0,8023 = 48,14 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 28,42 kvar

Capacità per fase

In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.

V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9472/(377·480²) = 109 µF

Risposta

Cph = 109 µF
19.Trasformatori

Risposta: ILV = 41,67 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.

Corrente nominale

Entrambi gli avvolgimenti trasportano la stessa potenza apparente.

ILV = S/V = 10000/240 = 41,67 A

Risposta

ILV = 41,67 A
20.Trasformatori

Risposta: Ploss = 3125 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.

Perdite nel rame a questo carico

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,0625·10000 = 625 W

Perdite totali

Le perdite nel ferro sono le stesse a qualsiasi carico.

Ploss = 2500 + 625 = 3125 W

Risposta

Ploss = 3125 W

Il rendimento a questo carico è η = 97,44%.

21.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Rf = 7 kΩ

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 di un amplificatore non invertente

V₋ = V₊ = Vin, e la corrente in R₁ scorre anche in Rf, quindi Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (8 − 1)·1 = 7 kΩ

Risposta

Rf = 7 kΩ
22.Circuiti con amplificatori operazionali

Risposta: Vout = 2,437 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.

Tensione all’ingresso +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,6·100/(2 + 100) = 1,569 V

Sovrapponi i due ingressi

Con V₂ = 0, V₁ vede un amplificatore invertente. Con V₁ = 0, V₊ viene amplificata dal guadagno non invertente 1 + R₂/R₁.

Vout = −(22/22)·0,7 + (1 + 22/22)·1,569 = −0,7 + 3,137 = 2,437 V

Risposta

Vout = 2,437 V
23.Diodi e transistor

Risposta: VCE = 9,731 V

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 = 15·22/(82 + 22) = 3,173 V
RTH = 82·22/(82 + 22) = 17,35 kΩ

Corrente di base

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

IB = (3,173 − 0,7)/(17,35 + 81·0,47) = 44,63 µA

Corrente di collettore

IC = 80·44,63 µA = 3,57 mA
IE = 81·44,63 µA = 3,615 mA

Tensione collettore–emettitore

VCE = 15 − 3,57·1 − 3,615·0,47 = 9,731 V

Risposta

VCE = 9,731 V
24.Diodi e transistor

Risposta: Rmax = 492,9 Ω

Regolatore Zener: un diodo Zener polarizzato inversamente mantiene la sua tensione VZ finché la sua corrente resta sopra un minimo IZ,min. Il resistore in serie R assorbe la differenza tra ingresso e uscita: IR = (Vin − VZ)/R. Questa corrente si divide tra il carico, IL = VZ/RL, e lo Zener: IZ = IR − IL. Progetta per i casi peggiori: l’ingresso più basso con il carico maggiore deve comunque lasciare IZ,min, e l’ingresso più alto senza carico dà la massima potenza dello Zener PZ = VZ·IZ.

Corrente nel caso peggiore

IR = 40 + 2 = 42 mA

Massima resistenza

Rmax = 20,7/0,042 = 492,9 Ω

Risposta

Rmax = 492,9 Ω
25.Sistemi di numerazione

Risposta: N = 111

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.

64 + 32 + 8 + 4 + 2 + 1 = 111

Risposta

N = 111
26.Sistemi di numerazione

Risposta: R = 255

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

OR dà 1 dove almeno un bit è 1.

1101 1101
OR 0011 1011
= 1111 1111

Valore del risultato

1111 1111₂ = 255

Risposta

R = 255
27.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flop

Risposta: L = 9

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.

ABCD000111100001111000010312040507060121131150141819111010

Raggruppa gli 1

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

AD
AB′C′
A′B′CD′

Forma SOP minima

F = AD + AB′C′ + A′B′CD′
L = 9

Risposta

L = 9
28.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flop

Risposta: Q = 5

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.

Stato dopo ogni fronte

1010 → 0101 → 1010 → 0101 → 1010 → 0101 → 1010 → 0101

Valore decimale

0101₂ = 5

Risposta

Q = 5
29.Trasformate di Laplace

Risposta: f(0.2) = 1,286

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).

Completa il quadrato

s² + 8s + 41 = (s + 4)² + 25 = (s + 4)² + 5²

Fai corrispondere il numeratore

F(s) = (17/5)·5/((s + 4)² + 5²)

Antitrasformata

f(t) = e−4t·(3,4·sin 5t)
f(0,2) = e−4·0,2·(3,4·sin(5·0,2)) = 1,286

Risposta

f(0,2) = 1,286
30.Trasformate di Laplace

Risposta: y(0.3) = 8,344

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).

Trasforma l’equazione

(s² + 9s + 20)·Y(s) = 1s + 9 + 400/s
Y(s) = (s² + 9s + 400)/(s(s + 4)(s + 5))

Fratti semplici

A = 400/(4·5) = 20
B = 380/((−4)·1) = −95
C = 380/((−5)·(−1)) = 76

Risultato

y(t) = 20 − 95·e−4t + 76·e−5t
y(0,3) = 8,344

Risposta

y(0,3) = 8,344

Controllo: y(0) = A + B + C = 1.

31.Schemi a blocchi

Risposta: ess = 6

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).

Costante di errore di posizione

Kₚ = G(0) = 3·4/(3·6) = 0,6667

Errore a regime

ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 0,6667) = 6

Risposta

ess = 6
32.Schemi a blocchi

Risposta: T(0) = 0,6

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).

Anello interno

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 3/(s + 6)

Anello esterno

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 18/((s + 2)(s + 6) + 18)

Guadagno in continua

T(0) = 18/(2·6 + 18) = 18/30 = 0,6

Risposta

T(0) = 0,6
33.Risposta al gradino

Risposta: σ = −6

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 = 97 → ωₙ = 9,849 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·9,849) = 0,6092

Risultato

σ = −ζωₙ = −12/2 = −6

Risposta

σ = −6
34.Risposta al gradino

Risposta: %OS = 52,39 %

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).

Pulsazione naturale e rapporto di smorzamento

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,2·1 × 10⁻⁵) = 707,1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (57/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,2) = 0,2015

Risultato

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 52,39 %

Risposta

%OS = 52,39 %
35.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: BW = 318,3 Hz

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.

Frequenza di risonanza

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·4,7 × 10⁻⁶) = 4613 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 734,1 Hz

Larghezza di banda

BW = R/L = 20/0,01 = 2000 rad/s = 318,3 Hz

Risposta

BW = 318,3 Hz
36.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ωc = 12,1 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 + 100ω² − 36100 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·36100))/2 = 146,5
ωc = 12,1 rad/s

Risposta

ωc = 12,1 rad/s
37.Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radici

Risposta: m = 4

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.

Tabella di Routh

s³ + 14s² + 48s + K = 0
s³: 1, 48
s²: 14, K
s¹: (14·48 − K)/14
s⁰: K

Guadagno stabile massimo

Kmax = 14·48 = 672

Fattore

m = 672/168 = 4

Risposta

m = 4

Questo fattore è il margine di guadagno come rapporto: 12,04 dB.

38.Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radici

Risposta: K = 9

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 + 1)(s + 7) dà 2s + 8 = 0.

sb = −4

Condizione sul modulo

K = |−4 + 1|·|−4 + 7| = 3·3 = 9

Risposta

K = 9

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

39.Errore a regime e controllo PID

Risposta: ess = 1,2

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) = 2,5

Parte a gradino

Kp = ∞ → estep = 0

Errore alla rampa

ess = 3/2,5 = 1,2

Risposta

ess = 1,2
40.Errore a regime e controllo PID

Risposta: Kp = 0,8

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).

Polinomio caratteristico

1 + C(s)G(s) = 0, moltiplicata per s(s + 4).

s² + (4 + 5Kp)s + 5Ki

Polinomio obiettivo

s² + 2·0,5·8s + 8² = s² + 8s + 64

Uguaglia i coefficienti

4 + 5Kp = 8 → Kp = 0,8

Risposta

Kp = 0,8

Il termine integrale rende l’anello di tipo 1, quindi un gradino viene seguito senza errore a regime.

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