CAP.IV ANALISI DI CIRCUTI LINEARI TEMPO-INVARIANTI RELAZIONI INGRESSO / USCITA Un circuito si può rappresentare come un sistema avente un certo numero di ingressi ed un certo numero di uscite. Y1(t) Y2(t) U1(t) U2(t) YL(t) UK(t) L'insieme di tutte le tensioni ai capi dei generatori indipendenti di tensione e di tutte le correnti attraverso i generatori indipendenti di corrente costituisce l'insieme degli ingressi del circuito U i (t ) , con i 1,...., K . Un circuito che contenga un solo generatore indipendente è un circuito ad un solo ingresso U i (t ) , con i 1 . L'uscita (che viene chiamata risposta) può essere una qualunque variabile di rete o una combinazione lineare di variabili di rete (tensioni, correnti, flussi, cariche) Y j (t ) con j 1,...., L . Per una rete avente un solo ingresso ed una sola uscita si definisce relazione ingresso/uscita l'insieme di tutte le possibili coppie (u, y ) che si possono manifestare nella rete. Se ad ogni u (t ) corrisponde una y (t ) si può anche dire che y (t ) u (t ) ove è un operatore che associa alla funzione u (t ) la funzione y (t ) in modo univoco. RAPPRESENTAZIONE INGRESSO/USCITA PER CIRCUITI LINEARI TEMPO INVARIANTI Per circuiti lineari tempo invarianti con un ingresso ed una uscita la relazione ingresso/uscita può essere espressa da un’ equazione differenziale lineare a coefficienti costanti, nella quale l’uscita y(t), con le proprie derivate, figura come incognita e l’ ingresso u(t), anch’ esso con le proprie derivate, compare solo al termine noto: d yt a d yt .... a d t d t n 1 n n n 1 1 u t y (t ) b d .... b u t d t m n m 0 m (0) dove n è l’ordine massimo di derivazione con cui compare l’uscita, m l’ordine massimo di derivazione con cui compare l’ingresso. Infine, i coefficienti a , a ,....,a 1 2 e n b b ,....,b 0, 1 m sono costanti che dipendono dalla topologia e dal valore dei parametri circuitali (capacità, induttanze, resistenze...). Nella precedente relazione non è presente alcuna informazione sullo stato energetico iniziale del sistema che però è indispensabile conoscere ai fini della determinazione dell’uscita.Tale stato è sintetizzato dalle condizioni iniziali da imporsi al problema differenziale: n 1 dyt yt d y 0 , ,...., dt d t n 1 0 (0)(0) 0 Considerando la (0) e la (0)(0) si ottiene il problema di Cauchy: 2 Inserire il problema di Cauchy questo insieme di valori può essere assunto come stato del circuito ed in esso sono contenute informazioni sulla topologia della rete e sulle energie inizialmente immagazzinate negli elementi reattivi. Questa equazione differenziale si ottiene dalle leggi di Kirchhoff e dalle equazioni di lato, le condizioni iniziali dallo stato iniziale e dalle equazioni di rete. RISPOSTA CON INGRESSO ZERO L'equazione ottenuta azzerando l’ ingresso e considerando solo lo stato inizialeè differenziale omogenea.Il polinomio caratteristico associato ha espressione: s a s n n 1 1 .... an1 s an Gli zeri del polinomio caratteristico sono detti frequenze naturali della variabile di rete y. Se tutte le frequenze naturali sono distinte la soluzione dell'equazione omogenea è yt k i es n i t i 1 in cui le costanti k i sono determinabili a partire dalle condizioni iniziali. RISPOSTA CON STATO ZERO Si consideri inizialmente il problema differenziale(Inserire2), ottenuto azzerando tutte le condizioni iniziali. Nel presupposto di frequenze naturali distinte si ha yt k i es y p t n i i 1 3 t in cui y t è una soluzione particolare che dipende da x(t); p k i sono determinate n 1 yt d siano nulle. y 0 ,...., n 1 d t 0 imponendo che RISPOSTA ALL'IMPULSO Nel caso di circuiti lineari tempo invarianti, se y(t) è la risposta a x(t), allora la risposta alla derivata prima di x(t) è la derivata prima di y(t) e così via per le derivate di ordine superiore, cioè la coppia (y, x) può essere derivata o integrata un certo numero di volte e le coppie ottenute continuano a corrispondersi nella relazione ingresso/uscita. La risposta con stato zero di un circuito tempo-invariante ad un impulso unitario applicato in t=0 è chiamata risposta all’impulso. Si consideri allora: x(t)= (t) y 0 y 0 .... y 0 0 n 1 ' L’equazione (0) assume la forma: n y t a y n 1 1 t .... a y t b t .... b t m n 0 m Si noti che il secondo membro essendo composto da impulsi è identicamente nullo t >0. Se consideriamo t > 0 un integrale particolare dell'equazione differenziale è h p t 0 allora la risposta completa all'impulso è : ht k i es +hp(t) n i t > 0 t i 1 4 Per avere la forma completa anche in t 0 occorrerà aggiungere impulsi, cioè : n h(t ) k i e u (t ) impulsi opportuni a seconda di m ed n . t0 si t i 1 In questa formula h(t ) contiene più o meno impulsi a seconda di come si relazionano m ed n : Distinguiamo i seguenti 3 casi: (n) 1) n m : (caso proprio) h non contiene funzioni singolari ma d h dt n include (m) 2) n m : h include un impulso b0 3) n m : h include più di una funzione singolare. In conclusione : n h(t ) k i e s u(t ) i t Per m n 1 i 1 n h(t ) k i e s u(t ) c0 0 (t ) c1 1 (t ) cmn mn (t ) per i t m n. i 1 Le equazioni che identificano gli impulsi nei due membri sono, in ogni caso, tante quante le costanti da determinare, e cioè n nel caso caso m n 1 ed m 1 nel m n. RISPOSTA AD UN INGRESSO ARBITRARIO Nell'analisi di circuiti lineari tempo-invarianti la risposta al gradino e all'impulso costituiscono risposte canoniche in quanto caratterizzano il comportamento dinamico del circuito ed inoltre forniscono la base per calcolare la risposta ad un ingresso arbitrario mediante l'integrale di convoluzione. 5 INTEGRALE DI CONVOLUZIONE O DI DUHAMEL Risposta con stato zero di un circuito lineare (tempo-invariante) ad un ingresso arbitrario: Sia un circuito lineare tempo-invariante pilotato da un generatore di corrente is t . Sia v0 t la risposta con stato zero del circuito all'ingresso is t ; allora t t 0 (con t 0 istante di applicazione dell'ingresso), si ha: v0 t t h t i d s t0 DIMOSTRAZIONE: Si basa sulle proprietà di linearità, tempo invarianza e causalità. 1) Essendo il circuito lineare si applica il teorema di sovrapposizione degli effetti. Fissato è possibile decomporre l’intervallo di integrazione t 0 , t in n intervalli elementari di ampiezza in cui la funzione i ( ) con t 0 , t si suppone costante e di valore pari a i i nell’intervallo (i-1, i), nulla altrove. Approssimativamente, quindi: o is x(i ) o t0 i t (i 1) t (i 1) 6 che, a meno di una traslazione e di una moltiplicazione per un fattore costante, ha la forma di un segnale impulsivo di durata finita. Visto che l’ impulso di durata finita è per definizione: t0 o 1 p (t ) o 0t t per esprimere is(t) in funzione dell’impulso di durata finita, sarà sufficiente traslare l’impulso di i e moltiplicarlo per un fattore opportuno in modo che l’ampiezza divenga is(i): i s i (i ) p (t i ) Sostituendo nell’espressione completa per i s(t) n n 0 0 is (t ) is is () p (t ) Considerando che: 1. Essendo la rete tempo-invariante la risposta all’impulso p(t) traslato è la y(t) traslata di uno stesso intervallo, cioè la risposta a p(t-) è y(t-) 2. La rete è lineare quindi la risposta ad una combinazione lineare di ingressi è la combinazione lineare delle risposte. Si deduce che: n y(t ) is () y (t ) 0 Ovviamente l’approssimazione coincide con il valore effettivo quando ne prendo il limite per 0 Spingendo l’indice di sommazione k fino ad infinito: y(t ) lim is () y (t ) 0 0 7 Per 0 nella sommatoria si può leggere un integrale nel quale k funge da variabile di integrazione t’ e funge da t’. Inoltre per 0 la risposta y, si identifica con la risposta all’impulso. Quindi: v0 t t h t i d s t0 OSSERVAZIONI: 1) COROLLARIO La risposta con stato zero di un circuito lineare tempo-invariante ad un ingresso arbitrario è funzione lineare dell'ingresso. 2) La tempo-invarianza implica che h(t , t k ) h(t T , t k T ) T allora h(t , t k ) è univocamente definibile in termini di t t k . 3) L'integrale di convoluzione non fa riferimento all'ipotesi di costanti concentrate, ma presuppone la conoscenza di ht . Se per un sistema a parametri distribuiti è nota la ht , l'integrale di convoluzione permette il calcolo della risposta con stato zero per sistema anche a parametri distribuiti. 4) Per i circuiti lineari non stazionari l'integrale di convoluzione è l'unico metodo utilizzabile (anche se di difficile manipolazione perchè, per poter caratterizzare la dinamica, sono necessarie le risposte impulsive per tutti gli istanti) per il calcolo della risposta con stato zero ad un ingresso arbitrario. 5) la risposta impulsiva dà la Funzione di Green del sistema. 8 RISPOSTA CON STATO ZERO AD UN INGRESSO SINUSOIDALE: CIRCUITO DEL 1 ORDINE V t E g M sent d V c t 1 t 1 V g t V c RC RC dt V 0 0 t0 c L'integrale generale dell'omogenea associata risulta V t K e t RC ' c L'integrale particolare per un ingresso sinusoidale è del tipo: V t V '' c M sent in cui V M e sono costanti da determinar e Per calcolare V M e si sostituisce la soluzione particolare nell'equazione differenziale ottenendo: V M cost 1 1 sen t V E M sent RC M RC Ovvero V M cost cos sent sen V M sent cos cost sen E M sent cos cost sen RC RC ordinando in sen t e cos t si ha : 9 cost V M cos V M sen E M sen sen t V M sen RC RC V M cos E M cos RC RC 0 affinché la relazione valga t > 0 deve essere : VM EM V M cos RC sen RC sen VM EM V M sen RC cos RC cos quadrando e sommando membro a membro si ha : V 2 M 1 2 R C E 2 2 2 M V M E 1 M 2 2 RC 2 Dividendo membro a membro si ha : tg V M cos V M sen RC V M sen V M RC cos e dividendo per V M cos 1 tg tg RC RC tg 1 1 RCtg tg RC 1 posto RC tg cioè arctg RC si ha tg tg tg tg ovvero tgtg 1 tg tg arctg RC tg arctg RC da cui arctg RC arctg RC in definitiva le costanti V M e si ricavano a partire da 10 E M e V M E 1 arctgRC M 2 2 RC 2 Nel caso di un circuito RL tali costanti sarebbero I M E R L 2 2 arctg M 2 L R Si noti che l'argomento dell'arcotangente è sempre adimensionale. L'operatore impedenza lega I con E M M con In definitiva la soluzione cercata è V t V t V t K e c ' '' c c t RC E 1 M 2 2 RC 2 sent arctg RC Imponendo che V c 0 0 (stato zero) si ha 0 K V M sen per cui V t V c sen e M t RC V M sent * * Notiamo che al limite per t la risposta può scomporsi in 2 termini componenti 1. componente transitoria ( 2. e componente permanente V t RC M ) che 0 quando t sen t Notiamo che il transitorio può essere evitato solo se sen 0 cioè 0 ciò equivale ad applicare l'ingresso con un angolo tale che arctgRC . 11 RISPOSTA COMPLETA, TRANSITORIO E REGIME PERMANENTE La risposta di un circuito dovuta sia ad un ingresso applicato che alle condizioni iniziali si chiama risposta completa. Pertanto la risposta con ingresso zero e con stato zero sono casi particolari di risposta completa. La risposta completa può essere vista in 2 modi diversi: 1) Per circuiti lineari yc y zi y zs . 2) Per classi particolari di funzioni di ingresso ha interesse considerare il comportamento asintotico della risposta e vedere se questa riproduca determinate caratteristiche dell'ingresso. Esempio: INGRESSI POLINOMIALI, ESPONENZIALI, SINUSOIDALI. Nel caso del circuito RC del I ordine lineare con ingresso sinusoidale, si ha: v(t ) V0 e t RC VM sin(t ) VM sin( )e t RC (V0 VM sin( ))e t RC VM sin(t ) Notiamo che il comportamento asintotico per t della risposta tende a riprodurre l'ingresso seppure con ampiezza e fasi differenti. La rete si dice che ammette regime permanente o stazionario di tipo sinusoidale. Il primo termine si dirà risposta transitoria ed il secondo risposta in regime permanente all'ingresso (in questo caso sinusoidale) . Il transitorio è definito come differenza tra la risposta completa e la risposta in regime permanente(se esiste). Per un circuito lineare, alla risposta transitoria contribuiscono sia la risposta con ingresso zero che la risposta con stato zero, mentre alla risposta in regime permanente contribuisce solo la risposta con stato zero. In pratica, il regime permanente dipende dall'integrale particolare, mentre la risposta transitoria dipende dall'integrale particolare e dalle condizioni iniziali. 12 Condizione necessaria affinchè possa esistere una risposta in regime permanente è che il comportamento asintotico della risposta completa sia legato soltanto alle caratteristiche dell'ingresso e non dipenda dallo stato iniziale. Nel caso di sistemi lineari questo è garantito se le frequenze naturali associate alle variabili di uscita hanno parte reale negativa (vedi stabilità). La condizione necessaria permette di distinguere i circuiti per i quali non può esistere in nessun caso una risposta in regime permanente dagli altri nei quali tale risposta potrebbe esistere . Occorre osservare che, mentre è sempre possibile decomporre la risposta completa in una risposta con ingresso zero ed in una con stato zero (nell'ipotesi di linearità), la possibilità della decomposizione in risposta transitoria e permanente è condizionata dall'esistenza del regime permanente. Il calcolo del regime permanente presuppone la verifica della condizione di decadimento asintotico delle risposte libere in uscita. STABILITA' Un circuito lineare tempo-invariante univocamente risolubile si dice esponenzialmente (asintoticamente) stabile se tutte le sue frequenze naturali hanno parte reale negativa. Se, invece, una o più frequenze naturali hanno parte reale positiva, il circuito è esponenzialmente instabile. La risposta con ingresso zero di un circuito asintoticamente stabile tende a zero per t . Per circuiti instabili si può solo affermare che , per la maggior parte (alcuni) degli stati iniziali, la risposta con ingresso zero tende ad per t . 13 TRASFORMATA DI LAPLACE Si è osservato che lo studio di una rete linerae tempo-invariante passa attraverso la risoluzione di equazioni lineari ed a coefficienti costanti. La trasformazione di Laplace fornisce la risoluzione di queste ultime in quanto consente di passare da un problema differenziale ad uno algebrico, con l’unico inconveniente di dovere lavorare con la variabile complessa: s=j DEFINIZIONE Data una funzione del tempo f(t), definita nell’intervallo (0,+), la Trasformata di Laplace di f(t) si indica con F(s) oppure Lf(t) Ed è definita come: F ( s) f (t )e st dt 0 che è una funzione della variabile complessa s. L’integrale appena scritto è da considerarsi come risultato di due successivi passaggi al limite: F (s) f (t )e dt lim 0 st T f (t )e 0 T st dt Talvolta il passaggio al limite di T restistuisce un risultato non finito e quindi si può concludere che non tutte le funzioni del tempo sono trasformabili secondo Laplace. 14 PROPRIETA’ DELLA TRASFORMATA DI LAPLACE Le principali regole della Trasformata di Laplace : La trasformata della somma di due funzioni f1(t) e f2(t) è data dalla somma delle trasformate delle due funzioni (la stessa regola vale anche per le antitrasformate): L [ f1(t) + f2(t) ] = F1(s) + F2(s) La trasformata di Laplace del prodotto di una costante K per la funzione f(t) è data dal prodotto fra la costante stessa e la trasformata F(s) della f(t): L[ K·f(t) ] = K·F(s) La trasformata della derivata di una funzione f(t) è data dalla trasformata F(s) dellafunzione moltiplicata per s e diminuita del valore f(0-) che la funzione assume all'istante t = 0- (condizioni iniziali); in detto enunciato è anche riassunto il cosiddetto teorema della trasformata della derivata generalizzata: La trasformata dell'integrale di una funzione f(t) corrisponde alla F(s) divisa per s: 15 dove, nei casi pratici, l’integrale scritto a secondo membro altro non è che la grandezza f(t)·t calcolata nell’istante iniziale. Teorema del valore iniziale il valore assunto dalla funzione f(t) all'istante t=0 si ottiene moltiplicando s per la trasformata della funzione stessa e calcolandone successivamente il limite per s tendente all'infinito: Teorema del valore finale: il valore assunto dalla funzione f(t) quando t tende a infinito si ottiene moltiplicando s per la trasformata della funzione stessa e calcolandone successivamente il limite per s che tende a 0. Questo teorema vale solo se il denominatore della s·F(s) ha radici tutte a parte reale minore di zero. Teorema della moltiplicazione per t: Teorema della traslazione in s: Ovvero una traslazione nel dominio della variabile s corrisponde nel tempo a moltiplicare per la quantità e16 . Teorema della traslazione nel tempo: Ovvero una traslazione nel dominio del tempo corrisponde a moltiplicare per il termine e- nel dominio della s. LKC ed LKT nel dominio di Laplace Le Leggi di Kirchoff, sia per le correnti sia per le tensioni, essendo delle relazioni algebriche,rimangono immutate dopo la trasformazione. INSERIRE TABELLA DELLE LEGGI DI LATO NEL DOMINIO S FUNZIONI DI RETE Si chiama funzione di rete H(s) il rapporto tra la trasformata di Laplace della risposta a stato zero e la trasformata di Laplace dell’ingresso. H(s)=Y(s)/X(s) Una prima proprietà della funzione di rete si può evidenziare notando che, se l’ingresso x(t) è un impulso (t), poichè la sua trasformata è nulla: Y(s)=H(s) Quindi, la funzione di rete rappresenta la trasformata di Laplace della risposta all’impulso. 17 TIPI DI FUNZIONE DI RETE Al variare del tipo di ingresso e di uscita(corrente o tensione) si possono avere quattro tipi di funzioni di rete: 1) Se l’ingresso è la sollecitazione di un generatore di corrente e l’uscita è anch’essa una corrente, la funzione di rete esprime un guadagno di corrente (adimensionale). 2) Se l’ingresso è la sollecitazione di un generatore di tensione e l’uscita è anch’essa una tensione, la funzione di rete esprime un guadagno di tensione (adimensionale). 3) Se l’ingresso è la sollecitazione di un generatore di corrente e l’uscita è una tensione, la funzione di rete ha il significato di una impedenza. Se la tensione e la corrente sono relativi allo stesso bipolo la funzione di rete prende il nome di autoimpedenza; se, invece,non sono relativi allo stesso bipolo, si parla di transimpedenza. 4) Se l’ingresso è la sollecitazione di un generatore di tensione e l’uscita è una corrente, la funzione di rete ha il significato di una ammettenza. Se la tensione e la corrente sono relativi allo stesso bipolo la funzione di rete prende il nome di autoammettenza; se, invece,non sono relativi allo stesso bipolo, si parla di transammettenza. PROPRIETA’ In ognuni dei quattro casi analizzati la funzione di rete è una funzione razionale fratta. Questo è dovuto al fatto chel’equazione che lega ingresso ad uscita è: any(n)(t)+ an-1y(n-1)(t)+ ...+a1y’(t)+ a0y(t) = bmx(m)(t)+ bm-1y(m-1)(t)+ ...+b1y’(t)+ b0y(t) Trasformando(nell’ipotesi in cui lo stato iniziale sia nullo) si ottiene: 18 aisiY(s)= bjsjX(s) Y(s)/X(s)=...inserire formula La forma ottenuta è razionale fratta indipendentemente dalla natura elettrica di x(t) e y(t). I coefficienti a0,..., an, b0,.. bn, sono numeri reali. Tali coefficienti sono reali in quanto ognuno è la somma di prodotti di resistenze, induttanze, capacità...e tali valori sono numeri reali. Una funzione di rete è, così, completamente rapprensentata da due insiemi din coefficienti reali che definiscono i polinomi al numeratore ed al denominatore. FORMA FATTORIALE DELLA FUNZIONE di trasferimento pag.711 Dove k è un fattore di scala, zi sono detti zeri della funzione di rete,pm sono detti poli della funzione di rete. ...Inserire qualcosa su poli e zeri? FREQUENZENZE NATURALI Un valore complesso s* si dice frequenza naturale per la variabile di rete x(t)- una tensione, un potenziale di nodo, una corrente...-se esiste uno stato energetico (0), tale che la risposta della variabile con ingresso zero è della forma: x(t)=K es*t+... cioè se contiene un termine esponenziale decrescente con esponente s*. 19 Il concetto di frequenza naturale di una variabile di rete è legato a quello di equazione differenziale minima della variabile stessa, intendendo con questo determinare l’equazione differenziale di pordine più piccolo che descrive la dinamica della x(t). Se questa è : Inserire formula con le derivate La relativa equazionje caratteristica sarà: ansn+ an-1sn-1+ ...+ a0=0 Le soluzione di questa equazione saranno le frequenze naturali della variabile di rete x(t). Le frequenze naturali di una rete sono l’insieme di tutte le frequenze naturali associste a tutte le variabili di rete. TEOREMA FONDAMENTALE DEL REGIME SINUSOIDALE Si considera un circuito lineare tempo-invariante univocamente risolubile, esponenzialmente stabile, pilotato da generatori indipendenti sinusoidali tutti con uguale pulsazione ; allora, per stato iniziale si ha che: per t tutte le variabili di rete tendono ad un unico regime sinusoidale di pulsazione . OSSERVAZIONE: Caso delle frequenze naturali sull'asse immaginario, e j non soluzione . 1) Frequenze semplici : Allora la risposta completa può contenere un termine sinusoidale di pulsazione diversa da quella del generatore. 20 2) Frequenze multiple : Allora P(t )e s t che t per t il circuito è instabile m e non ha risposta a regime. PROPRIETA’ DELLA RISPOSTA PER CIRCUITI LINEARI/TEMPO INVARIANTI Un circuito a parametri concentrati è lineare se è composto di elementi lineari e generatori indipendenti.. Un circuito a parametri concentrati è tempo invariante se è composto di elementi tempo invarianti e generatori indipendenti. La risposta con ingresso zero è la risposta in assenza di eccitazione esterna ed è dovuta solo allo stato iniziale. La risposta con stato zero è la risposta dovuta ad un ingresso applicato in condizione che il circuito sia nello stato zero in t t 0 con la 0 La risposta al gradino A(t ) è la risposta con stato zero dovuta ad un ingresso a gradino di ampiezza unitaria. La risposta all'impulso h(t ) è la risposta con stato zero dovuta ad un impulso di area unitaria. PROPRIETÀ' DELLA RISPOSTA DEI CIRCUITI LINEARI 1) la risposta con ingresso zero è una funzione lineare dello stato iniziale; 2) la risposta con stato zero è una funzione lineare dell'ingresso; 3) la risposta completa è la somma della risposta con ingresso zero e della risposta con stato zero. Funzioni di trasferimento:poli e zeri 21