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Funzione di trasferimento e valore RMS sinusoidali

La funzione di trasferimento è il rapporto tra uscita e ingresso di un sistema LTI sul dominio delle frequenze.

Possiamo applicarla al caso dei fasori di corrente visti nel circuito RLC in parallelo nella scorsa lezione.

H~(ω)=uscitaingresso=I~R1I~s\tilde{H}(\omega) = \frac{\text{uscita}}{\text{ingresso}} = \frac{\tilde{I}_{R_1}}{\tilde{I}_s}

Esempio: il circuito visto la scorsa lezione:

H~(ω)=v~sRv~sZtot=11R+jωC+1jωLR=1R(1R+jωCj1ωL)=1R(1R+j(ωC1ωL))=11+jR(ωC1ωL)=11+jR(ωC1ωL)\begin{array}{ll} \tilde{H}(\omega) &= \frac{\frac{\tilde{v}_s}{R}}{\frac{\tilde{v}_s}{Z_{\text{tot}}}} \\[7pt] &= \frac{\frac{1}{\frac{1}{R} + j \omega C + \frac{1}{j \omega L}}}{R} \\[7pt] &= \frac{1}{R (\frac{1}{R} + j \omega C - j \frac{1}{\omega L})} \\[7pt] &= \frac{1}{R (\frac{1}{R} + j (\omega C - \frac{1}{\omega L}))} \\[7pt] &= \frac{1}{1 + j R (\omega C - \frac{1}{\omega L})} \\[7pt] &= \frac{1}{1 + j R (\omega C - \frac{1}{\omega L})} \end{array}

A questo punto sostituiamo ω0=1LC\omega_0 = \frac{1}{\sqrt{L C}} e Q=RCLQ = R \sqrt{\frac{C}{L}}, notando che RC=RCLLC=Qω0R C = R \sqrt{\frac{C}{L}} \sqrt{L C} = \frac{Q}{\omega_0}.

H~(ω)=11+jRC(ω1ωLC)=11+jRC(ωω02ω)=11+jQ(ωω0ω0ω)1jQ(ωω0ω0ω)1jQ(ωω0ω0ω)=1jQ(ωω0ω0ω)1+Q2(ωω0ω0ω)2\newcommand\Xw{\left(\frac{\omega}{\omega_0} - \frac{\omega_0}{\omega}\right)} \begin{array}{ll} \tilde{H}(\omega) &= \frac{1}{1 + j R C (\omega - \frac{1}{\omega L C})} \\[10pt] &= \frac{1}{1 + j R C (\omega - \frac{\omega_0^2}{\omega})} \\[10pt] &= \frac{1}{1 + j Q \Xw} \frac{1 - j Q \Xw}{1 - j Q \Xw} \\[10pt] &= \frac{1 - j Q \Xw}{1 + Q^2 \Xw^2} \end{array}

Il modulo della funzione definisce il guadagno del circuito:

G(ω)=H~(ω)=1jQ(ωω0ω0ω)1+Q2(ωω0ω0ω)21+jQ(ωω0ω0ω)1+Q2(ωω0ω0ω)2=(1jQ(ωω0ω0ω))(1+jQ(ωω0ω0ω))1+Q2(ωω0ω0ω)2=1+Q2(ωω0ω0ω)21+Q2(ωω0ω0ω)2=11+Q2(ωω0ω0ω)2\newcommand\Xw{\left(\frac{\omega}{\omega_0} - \frac{\omega_0}{\omega}\right)} \begin{array}{ll} G(\omega) = |\tilde{H}(\omega)| &= \sqrt{\frac{1 - j Q \Xw}{1 + Q^2 \Xw^2} \frac{1 + j Q \Xw}{1 + Q^2 \Xw^2}} \\[15pt] &= \frac{\sqrt{\left(1 - j Q \Xw\right) \left(1 + j Q \Xw\right)}}{1 + Q^2 \Xw^2} \\[15pt] &= \frac{\sqrt{1 + Q^2 \Xw^2}}{1 + Q^2 \Xw^2} \\[15pt] &= \frac{1}{\sqrt{1 + Q^2 \Xw^2}} \end{array}

Il cambiamento di fase tra l’ingresso e l’uscita è dato da:

θ(ω)=arg(H~(ω))=arctan((1+Q2 (ωω0ω0ω)2)(Q(ωω0ω0ω))1+Q2 (ωω0ω0ω)2)=arctan(Q (ωω0ω0ω)1)=arctan(Q (ωω0ω0ω))\newcommand\Xw{\left(\frac{\omega}{\omega_0} - \frac{\omega_0}{\omega}\right)} \begin{array}{ll} \theta(\omega) = \arg{\tilde{H}(\omega)} &= \arctan\left(\frac{\left(1 + Q^2\ \Xw^2\right) \left(- Q \Xw\right)}{1 + Q^2\ \Xw^2}\right) \\[15pt] &= \arctan\left(\frac{-Q\ \Xw}{1}\right) \\[10pt] &= -\arctan\left(Q\ \Xw\right) \end{array}

Valore RMS (Root Mean Square) di una sinusoidale

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XRMS=1T0TA2 cos ⁣(ωt+θ)2 dt=ωA22π02πωcos ⁣(ωt+θ)2 dt=ωA22π02πωcos ⁣(2ωt+2θ)+12dt=ωA24π2πω=A22=A2\begin{array}{ll} X_{\text{RMS}} &= \sqrt{\frac{1}{T} \int_0^T A^2\ \fCos{\omega t + \theta}^2\ dt} \\[10pt] &= \sqrt{\frac{\omega A^2}{2 \pi} \int_0^{\frac{2 \pi}{\omega}} \fCos{\omega t + \theta}^2\ dt} \\[10pt] &= \sqrt{\frac{\omega A^2}{2 \pi} \int_0^{\frac{2 \pi}{\omega}} \frac{\fCos{2 \omega t + 2 \theta} + 1}{2} dt} \\[10pt] &= \sqrt{\frac{\omega A^2}{4 \pi} \frac{2 \pi}{\omega}} \\[10pt] &= \sqrt{\frac{A^2}{2}} = \frac{A}{\sqrt{2}} \end{array}

Nei circuiti a corrente alternata, il valore RMS di VV indica il valore effettivo della tensione. Pertanto, un circuito a corrente continua con una tensione VV e uno a corrente alternata con lo stesso valore RMS dissipano (per effetto Joule) la stessa quantità di calore sulla stessa resistenza.