Elettronica Circuiti nel dominio del tempo

Elettronica Circuiti nel dominio del tempo Valentino Liberali Dipartimento di Fisica Università degli Studi di Milano valentino.liberali@unimi.it Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 1 / 35 Contenuto 1 Segnali nel dominio del tempo 2 Segnali analogici e segnali digitali 3 Segnali periodici: periodo e frequenza 4 Valor medio e valore efficace 5 Energia interna di un bipolo 6 Potenza istantanea 7 Capacità 8 Induttanza Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 2 / 35 1

Programma parte 3 3 Analisi di circuiti nel dominio del tempo. a. Segnali analogici e segnali digitali. b. Segnali continui e segnali campionati. c. Segnali periodici; periodo e frequenza. d. Condensatore. e. Induttore. f. Energia immagazzinata. g. Potenza istantanea e potenza media. h. Analisi nel dominio del tempo. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 3 / 35 Segnali nel dominio del tempo Una grandezza elettrica che varia nel tempo secondo una legge determinata costituisce un segnale. I segnali possono essere di tensione oppure di corrente, a seconda che la grandezza elettrica che ci interessa sia una tensione o una corrente. Per esprimere in modo esplicito la dipendenza dal tempo, scriviamo: v(t) per un segnale di tensione i(t) per un segnale di corrente Talvolta la dipendenza dal tempo viene sottintesa; il carattere minuscolo indica comunque che si tratta di una grandezza variabile nel tempo. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 4 / 35 2

Convenzioni tipografiche tipo di carattere significato esempio Maiuscolo, Valore in continua pedice Maiuscolo (punto di lavoro) V B, I C minuscolo, Valore istantaneo pedice Maiuscolo (funzione del tempo) v B, i C minuscolo, Segnale pedice minuscolo (valore istantaneo continua) v b, i c v V B v b (t) v B (t) t v B (t) = V B + v b (t) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 5 / 35 Segnali analogici e segnali digitali Un segnale è analogico quando il suo contenuto di informazione varia con continuità, potendo assumere un infinità di valori possibili (entro un certo intervallo). Un segnale è digitale quando il suo contenuto di informazione varia in modo discreto (cioè a passi), potendo assumere soltanto un numero finito di valori possibili. Il segnale digitale più semplice è il segnale binario, che può assumerre solo i valori (zero) e 1 (uno), che in genere corrispondono ai valori bassi e alti di una grandezza fisica variabile con continuità. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 6 / 35 3

Segnali continui e segnali campionati Un segnale è continuo nel tempo quando il suo valore può cambiare in qualsiasi istante. Un segnale è campionato quando il suo valore cambia solo in istanti prestabiliti, in sincronia con un segnale di temporizzazione ( clock ), e il valore viene mantenuto costante fino al successivo evento di temporizzazione. v segnale continuo segnale campionato T s t Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 7 / 35 Segnali periodici Un segnale è periodico quando si ripete identicamente dopo un intervallo di tempo T, detto periodo: x(t + T ) = x(t), t L inverso del periodo è la frequenza: f = 1 T Dimensionalmente, la frequenza è l inverso di un tempo e si misura in hertz (Hz). Per un moto rotatorio, la frequenza f è legata alla velocità angolare ω dalla relazione: ω = 2πf. La velocità angolare si misura in radianti al secondo (rad/s). Poiché l angolo giro è pari a 2π rad, risulta: 1 Hz = 1 giro/s = 2π rad/s. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 8 / 35 4

Esempi di segnali periodici (1/3) v V A V A 2V A T t Una sinusoide analiticamente può essere espressa come: v(t) = V A sin 2πft con f = 1 T Il valore di picco dell ampiezza è V A ; il valore picco-picco, cioè la differenza tra il massimo e il minimo, è 2V A. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 9 / 35 Esempi di segnali periodici (2/3) v V A T t Un esempio di onda quadra è costituito dal segnale di clock di un sistema digitale sincrono. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 1 / 35 5

Esempi di segnali periodici (3/3) v V A t r t f T t Nella realtà l onda quadra ideale non esiste; un approssimazione più adeguata del segnale di clock di un sistema digitale sincrono è costituito dall onda trapezoidale, avente tempi di salita (t r, rise time ) e di discesa (t f, fall time ) diversi da zero. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 11 / 35 Valor medio e valore efficace Il valor medio V m di un segnale periodico è: V m = 1 T T v(t) Il valore efficace o valore quadratico medio o valore rms ( root-mean-square ) V rms di un segnale periodico è: 1 T V rms = (v(t)) T 2 Il valore efficace ha questo nome perchè, se viene applicata una continua con questo valore ai capi di una resistenza, si produce IN MEDIA la stessa dissipazione di potenza del segnale variabile v(t) applicato alla stessa resistenza. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 12 / 35 6

Esercizi (I) 1. Calcolare il valore efficace di un segnale di tensione sinusoidale avente valore di picco V A. Soluzione: Applicando la definizione, si ha: 1 T V rms = (v(t)) T 2 1 = T 1 T ( 1 = VA 2 T 2 1 ) 4πt cos 2 T = V A 1 T T 2 = V A 2 T ( V A sin 2πt ) 2 = T 1 T 1 = V A T 2 = Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 13 / 35 Esercizi (II) 2. Calcolare il valore di picco della tensione della rete elettrica, che ha un valore efficace V rms = 23 V. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 14 / 35 7

Leggi per grandezze variabili nel tempo R + - i(t) v(t) La legge di Ohm per grandezze variabili nel tempo è: v(t) = Ri(t) La corrente è legata alla carica elettrica dalla relazione: i(t) = dq(t) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 15 / 35 Energia interna di un bipolo Esistono elementi circuitali il cui comportamento non dipende solo dal valore istantaneo delle grandezze elettriche, ma anche dai valori assunti in precedenza. Questi elementi circuitali hanno memoria, cioè mantengono al loro interno un informazione legata al loro funzionamento passato. L informazione è fisicamente immagazzinata sotto forma di energia variabile nel tempo w(t). L energia assorbita da un bipolo all istante t è: w(t) = = t t p(t) = p(t) + w() Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 16 / 35 8

Potenza istantanea L espressione della potenza assorbita da un bipolo qualsiasi è data dal prodotto della tensione per la corrente. Esplicitando la dipendenza dal tempo: p(t) = v(t)i(t) Quando la potenza varia nel tempo, si parla di potenza istantanea. La potenza istantanea p(t) può essere positiva o negativa: è positiva quando aumenta l energia immagazzinata nel bipolo, è negativa quando l energia immagazzinata diminuisce. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 17 / 35 Condensatore (1/6) i(t) + C v(t) Il condensatore (in inglese: capacitor ) è costituito da due superfici metalliche parallele separate da un isolante. La carica immagazzinata è proporzionale alla tensione applicata: q(t) = Cv(t). La costante C è la capacità del condensatore, che si misura in farad (F): 1 F = 1 C / 1 V Il farad è un unità di misura molto grande; di solito si usano i suoi sottomultipli: µf, nf, pf e ff. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 18 / 35 9

Capacità (2/6) S d Per un condensatore a facce piane e parallele, aventi area S e distanza d, fra le quali è interposto un materiale isolante con costante dielettrica ε, la capacità C è: C = εs d Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 19 / 35 Condensatore (3/6) i(t) + C v(t) Dalle due equazioni q(t) = Cv(t) e i(t) = dq(t) si ottiene: i(t) = C dv(t) Nel condensatore la corrente è proporzionale alla derivata della tensione. Se la tensione è costante, la derivata è nulla e non passa corrente per la continua il condensatore si comporta come un circuito aperto. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 2 / 35 1

Condensatore (4/6) Invertendo l equazione i(t) = C dv(t) si ricava che in un condensatore la tensione è proporzionale all integrale della corrente: v(t) = 1 C t i(t) + v() La tensione v() (che matematicamente rappresenta la costante di integrazione) è la condizione iniziale: v() = v(t = ) In SPICE la condizione iniziale è specificata con il parametro IC ( initial condition ). Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 21 / 35 Condensatore (5/6) L energia immagazzinata in un condensatore è: w(t) = 1 2 C(v(t))2 Per semplicità, sottintendendo t, possiamo scrivere: w = 1 2 Cv 2 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 22 / 35 11

Condensatore (6/6) Si vede facilmente che derivando l energia si ottiene la potenza istantanea: p(t) = dw(t) = Cv(t) dv(t) L energia aumenta (e quindi la potenza viene assorbita) quando il valore assoluto della tensione ai capi del condensatore aumenta; l energia diminuisce (e quindi la potenza viene erogata) quando il valore assoluto della tensione ai capi del condensatore diminuisce. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 23 / 35 Esercizio (III) Un generatore di tensione sinusoidale di ampiezza V A = 1 V e frequenza f = 1 khz è collegato ad un condensatore di capacità C = 1 nf. Calcolare la corrente nel condensatore. Soluzione: L espressione della tensione del generatore è: v(t) = V A sin 2πft La stessa tensione è applicata ai capi del consensatore. La corrente è data da: i(t) = C dv(t) = 2πfCV A cos 2πft La corrente ha un andamento cosinusoidale, con ampiezza I A = 2πfCV A = 6.28 µa e frequenza f = 1 khz. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 24 / 35 12

Dispositivo: accelerometro (1/5) L accelerometro è un sensore che fornisce in uscita una tensione che dipende dall accelerazione a cui è sottoposto. Appartiene alla categoria dei MEMS (= Micro-ElectroMechanichal Systems), che sono dispositivi utilizzati per convertire grandezze fisiche in grandezze elettriche e viceversa. I MEMS possono essere costruiti su silicio, con processo di fabbricazione CMOS + micromachining per creare cavità o strutture sospese. Dispositivo: accelerometro (2/5) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 25 / 35 Vista 3D; in arancione la massa sospesa Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 26 / 35 13

Dispositivo: accelerometro (3/5) a 1 5 1 5 2 6 2 6 3 7 3 7 4 8 4 8 senza accelerazione con accelerazione a Elettrodi fissi in azzurro: A = {1, 3, 5, 7}; B = {2, 4, 6, 8} La massa inerziale sospesa, sottoposta ad accelerazione, deforma gli anelli e si sposta. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 27 / 35 Dispositivo: accelerometro (4/5) A A d C A d+x C A d C B B d-x C B B senza accelerazione a = C A = C B = εs d con accelerazione a ma = kx C A = εs d+x C B = εs d x Elettrodi fissi: A = {1, 3, 5, 7}; B = {2, 4, 6, 8} k è la costante elastica della molla costituita dai due anelli. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 28 / 35 14

Dispositivo: accelerometro (5/5) V A V A buffer demod. V B Si applicano due tensioni alternate opposte ai terminali fissi e si demodula (con un moltiplicatore) la tensione letta alla massa sospesa. Si ottiene una tensione che dipende dallo spostamento x (e quindi dall accelerazione a). Per misurare un accelerazione con direzione qualsiasi, occorrono tre accelerometri disposti perpendicolarmente lungo le direzioni dei tre assi cartesiani ortogonali. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 29 / 35 Induttanza (1/6) i(t) + L v(t) L induttore (in inglese: inductor ) è costituito da un filo avvolto a spirale (solenoide). All interno dell avvolgimento si ha un flusso magnetico Φ proporzionale alla corrente nel filo: Φ(t) = Li(t). Il flusso magnetico Φ si misura in weber (Wb): 1 Wb = 1 m2 kg A s. 2 La costante L è l induttanza dell induttore, che si misura in henry (H): 1 H = 1 Wb / 1 A Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 3 / 35 15

Induttanza (2/6) i(t) + L v(t) Una variazione nel tempo del flusso magnetico produce una differenza di potenziale ai capi dell induttore (legge di Faraday-Henry): v(t) = dφ(t) Combinando le due equazioni: Φ(t) = Li(t) e v(t) = dφ(t) si ottiene: v(t) = L di(t) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 31 / 35 Induttanza (3/6) i(t) + L v(t) v(t) = L di(t) La tensione è proporzionale alla derivata della corrente. Se la corrente è costante, la derivata è nulla e non c è tensione ai capi del bipolo per la continua l induttore si comporta come un cortocircuito. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 32 / 35 16

Induttanza (4/6) Invertendo l equazione v(t) = L di(t) si ricava che in un induttore la corrente è proporzionale all integrale della tensione: i(t) = 1 L t v(t) + i() La corrente i() (che matematicamente rappresenta la costante di integrazione) è la condizione iniziale: i() = i(t = ) In SPICE la condizione iniziale è specificata con il parametro IC ( initial condition ) anche per l induttanza. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 33 / 35 Induttanza (5/6) L energia immagazzinata in un induttore è: w(t) = 1 2 L(i(t))2 Per semplicità, sottintendendo t, possiamo scrivere: w = 1 2 Li 2 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 34 / 35 17

Induttanza (6/6) Derivando l energia, si ottiene la potenza istantanea: p(t) = dw(t) = Li(t) di(t) L energia aumenta (e quindi la potenza viene assorbita) quando il valore assoluto della corrente nell induttanza aumenta; l energia diminuisce (e quindi la potenza viene erogata) quando il valore assoluto della corrente nell induttanza diminuisce. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Circuiti nel dominio del tempo 14 aprile 211 35 / 35 18