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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.
V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
2.Resistori in serie e paralleloDifficile
Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
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.
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
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
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
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
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
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).
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
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.
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.
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 = 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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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
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
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.
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
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
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).
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).
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.
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.
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.
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).
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).
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.