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Note per Studenti Valore efficace - RMS-DC, RMS-AC e segnali periodici

Valore efficace - RMS-DC, RMS-AC e segnali periodici

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Il valore efficaceradice quadrata del valore medio del quadrato del segnale; è la tensione continua che dissiperebbe sullo stesso resistore la stessa potenza media (in inglese root mean square, RMS) è il parametro con cui il multimetro descrive l'ampiezza di un segnale. Nel corso si distingue sempre se si calcola sul segnale intero o sulla sola parte alternata, perché le due scelte danno risultati diversi e il tema d'esame chiede quasi sempre di decidere quale è quella giusta.

Definizione e le due varianti

Per un segnale periodicosegnale che si ripete identico ogni periodo T v(t)v(t) di periodo TT: Vrms,DC=1T∫0Tv2(t) dt(RMS-DC, o AC+DC).V_{rms,DC}=\sqrt{\frac1T\int_0^Tv^2(t)\,dt}\qquad\text{(RMS-DC, o AC+DC)}. Si chiama RMS-DC perché nel quadrato è compresa la componente continuaparte costante del segnale, quella che un condensatore in serie non lascia passare. Si ottiene la versione RMS-AC togliendo prima il valore mediomedia del segnale su un periodo: è la componente continua VDC=1T∫0Tv dtV_{DC}=\frac1T\int_0^Tv\,dt: Vrms,AC=1T∫0T(v(t)−VDC)2dt.V_{rms,AC}=\sqrt{\frac1T\int_0^T\big(v(t)-V_{DC}\big)^2dt}. Le due sono legate da una relazione che evita di rifare l'integrale: Vrms,DC2=VDC2+Vrms,AC2.\boxed{V_{rms,DC}^2=V_{DC}^2+V_{rms,AC}^2.} Infatti 1T∫(v−VDC)2=1T∫v2−2VDC⋅1T∫v+VDC2=Vrms,DC2−VDC2\frac1T\int(v-V_{DC})^2=\frac1T\int v^2-2V_{DC}\cdot\frac1T\int v+V_{DC}^2=V_{rms,DC}^2-V_{DC}^2. L'RMS-AC è la deviazione standardradice della varianza: misura quanto i valori si scostano dalla media del segnale e l'RMS-DC la radice del suo momento secondo (Varianza e momentiI momenti E[X^k] e i momenti centrati E[(X − μ)^k] descrivono la forma di una legge; la varianza Var(X) = E[(X − μ)²] = E[X²] − E[X]² misura quanto X si disperde attorno alla media, vale Var(aX + b) = a² Var(X) e Var(X) = 0 solo se X è costante.Varianza e momenti →): è lo stesso legame tra media, varianza e valore quadratico medio di una variabile aleatoria.

Segnali notevoli

Sinusoide v=V0sin⁡(2πf0t)v=V_0\sin(2\pi f_0t). Il valore medio del quadrato è V02⋅sin⁡2‾=V02/2V_0^2\cdot\overline{\sin^2}=V_0^2/2, perché sin⁡2x=1−cos⁡2x2\sin^2x=\frac{1-\cos2x}2 e il coseno ha media nulla. Quindi Vrms=V02(=0,707V0).V_{rms}=\frac{V_0}{\sqrt2}\qquad(=0{,}707V_0). Con una componente continua v=VDC+V0sin⁡(⋅)v=V_{DC}+V_0\sin(\cdot) il termine misto 2VDCV0sin⁡(⋅)2V_{DC}V_0\sin(\cdot) ha media nulla e resta Vrms,DC=VDC2+V02/2V_{rms,DC}=\sqrt{V_{DC}^2+V_0^2/2}, mentre Vrms,AC=V0/2V_{rms,AC}=V_0/\sqrt2. Esempio (gennaio 2022): VDC=1,51V_{DC}=1{,}51 V, V0=2,05V_0=2{,}05 V danno Vrms,DC=1,512+2,052/2=2,09V_{rms,DC}=\sqrt{1{,}51^2+2{,}05^2/2}=2{,}09 V.

Onda rettangolare con livelli VHV_H, VLV_L e duty cycle dd: il quadrato vale VH2V_H^2 per una frazione dd del periodo e VL2V_L^2 per la parte restante, quindi Vrms,DC=VH2d+VL2(1−d),Vrms,AC=(VH−VL)d(1−d).V_{rms,DC}=\sqrt{V_H^2d+V_L^2(1-d)},\qquad V_{rms,AC}=(V_H-V_L)\sqrt{d(1-d)}. Per un'onda unipolareche non cambia segno: qui livello alto positivo e livello basso a zero 0→VH0\to V_H si ha Vrms,DC=VHdV_{rms,DC}=V_H\sqrt d e Vrms,AC=VHd(1−d)V_{rms,AC}=V_H\sqrt{d(1-d)}. Esempio (febbraio 2022): VH=4V_H=4 V, VL=−1V_L=-1 V, d=20%d=20\% (valore medio nullo): Vrms=16⋅0,2+1⋅0,8=4=2V_{rms}=\sqrt{16\cdot0{,}2+1\cdot0{,}8}=\sqrt{4}=2 V, e infatti 50,2⋅0,8=25\sqrt{0{,}2\cdot0{,}8}=2 V, uguali perché VDC=0V_{DC}=0.

Triangolare e dente di sega. Se la forma d'onda è una rampa lineare tra VminV_{min} e VmaxV_{max} (anche con ritorno istantaneo) il valore medio è Vmax+Vmin2\frac{V_{max}+V_{min}}2 e, calcolando 1T∫(mt+Vmin)2dt\frac1T\int(mt+V_{min})^2dt con m=Vmax−VminTm=\frac{V_{max}-V_{min}}T, si ottiene Vrms,DC=Vmax2+VmaxVmin+Vmin23,Vrms,AC=Vmax−Vmin23=Vpp23.V_{rms,DC}=\sqrt{\frac{V_{max}^2+V_{max}V_{min}+V_{min}^2}{3}},\qquad V_{rms,AC}=\frac{V_{max}-V_{min}}{2\sqrt3}=\frac{V_{pp}}{2\sqrt3}. Esempio (febbraio 2023): Vmin=−150V_{min}=-150 mV, Vmax=450V_{max}=450 mV: VDC=150V_{DC}=150 mV; Vrms,DC=(0,2025−0,0675+0,0225)/3=229V_{rms,DC}=\sqrt{(0{,}2025-0{,}0675+0{,}0225)/3}=229 mV; Vrms,AC=0,623=173V_{rms,AC}=\frac{0{,}6}{2\sqrt3}=173 mV. Controllo con la relazione: 0,152+0,1732=0,229\sqrt{0{,}15^2+0{,}173^2}=0{,}229 V. Nel caso del rippleondulazione residua della tensione di uscita di un alimentatore o convertitore di un convertitore DC-DC (febbraio 2024), triangolare con Vpp=400 μV_{pp}=400\ \muV, l'RMS-AC è 400/(23)=115 μ400/(2\sqrt3)=115\ \muV.

Segnali impulsivi. Con più livelli si somma vk2⋅tkTv_k^2\cdot\frac{t_k}{T} su ogni tratto. Per due impulsi V1=5V_1=5 V (T1=20T_1=20 ms) e V2=2V_2=2 V (T2=40T_2=40 ms) in un periodo di 150150 ms (febbraio 2025): media 5⋅20+2⋅40150=1,2\frac{5\cdot20+2\cdot40}{150}=1{,}2 V; valore quadratico medio 25⋅20+4⋅40150=4,4\frac{25\cdot20+4\cdot40}{150}=4{,}4 V2^2, quindi Vrms,DC=2,098V_{rms,DC}=2{,}098 V e Vrms,AC=4,4−1,44=1,72V_{rms,AC}=\sqrt{4{,}4-1{,}44}=1{,}72 V.

segnale Vrms,DCV_{rms,DC} Vrms,ACV_{rms,AC} fattore di cresta Vpicco/Vrms,ACV_{picco}/V_{rms,AC}
sinusoide V0sin⁡V_0\sin V0/2V_0/\sqrt2 V0/2V_0/\sqrt2 2=1,41\sqrt2=1{,}41
onda quadra ±V\pm V VV VV 11
rettangolare 0→VH0\to V_H VHdV_H\sqrt d VHd(1−d)V_H\sqrt{d(1-d)} dipende da dd
triangolare/rampa ±Vp\pm V_p Vp/3V_p/\sqrt3 Vp/3V_p/\sqrt3 3=1,73\sqrt3=1{,}73

Come lo misurano gli strumenti

Multimetro true-RMSvero valore efficace: calcola davvero la radice della media dei quadrati, qualunque sia la forma d'onda. Un multimetro "vero valore efficace" calcola la radice del valore medio del quadrato, e non il picco diviso per 2\sqrt2 (che sarebbe corretto solo per una sinusoide): a un'onda quadra darebbe un risultato sbagliato. Ha però due modi di funzionare, e il tema ammette entrambe le risposte purché motivate:

  • accoppiamento in alternatacondensatore in serie all'ingresso che toglie la componente continua (il caso più comune, modalità "Volt AC"): un filtro passa-alto elimina la componente continua e lo strumento indica Vrms,ACV_{rms,AC};
  • accoppiamento in continua (AC+DC): indica Vrms,DCV_{rms,DC}.

Se la misura è in modalità AC e il segnale ha frequenza molto bassa (pochi Hz) bisogna controllare che il filtro non attenui la fondamentalecomponente alla frequenza del segnale, la più bassa dello spettro: le specifiche di accuratezza del multimetro cambiano con la banda di frequenza (Multimetro digitale - voltmetro, amperometro e valore efficace veroIl multimetro digitale (DMM) non mostra la forma d'onda ma uno o più parametri del segnale: tensione e corrente continue e alternate (vero valore efficace), resistenza. Ingressi flottanti (differenziali). Voltmetro: resistenza interna idealmente infinita, in parallelo; amperometro: resistenza interna idealmente nulla (shunt), in serie, la caduta $V_b=R_sI$ è la burden voltage. Catena: partitore di campo, amplificatore, convertitore (RMS), ADC (doppia rampa $V_x=V_{ref}T_2/T_1$), display a $n\tfrac12$ cifre. Si sceglie il campo più piccolo che contiene il valore; specifiche $\pm(%\text{ lettura}+%\text{ fondo scala})$ con banda e tempo dalla taratura.Multimetro digitale - voltmetro, amperometro e valore efficace vero →).

Oscilloscopio. Le funzioni di misura numeriche calcolano il valore efficace dai campioni acquisiti e si distinguono per due scelte:

  • DC RMS / AC RMS: con o senza componente continua;
  • full screencalcolo eseguito su tutti i campioni visibili sullo schermo, anche se non formano periodi interi / N cycles: su tutti i campioni visualizzati oppure solo su un numero intero di periodi.

Il valore efficace si riferisce a un segnale periodico, quindi vale solo su un numero intero di periodi. Esempio: corrente in un LED, impulsi alti di 5050 mA lunghi 11 ms ogni 44 ms (d=25%d=25\%), scala orizzontale di 500 μ500\ \mus/div, cioè una finestra di 55 ms (1,251{,}25 periodi). La misura corretta è DC RMS (N cycles)=500,25=25\text{DC RMS (N cycles)}=50\sqrt{0{,}25}=25 mA (il segnale non è alternato, la sua media è 12,512{,}5 mA e va tenuta); sul full screen i campioni comprendono due impulsi su cinque millisecondi, la frazione alta diventa 2/52/5 e si legge 500,4=31,650\sqrt{0{,}4}=31{,}6 mA, un errore del 26%. Solo con molte divisioni per periodo il full screen si avvicina al valore vero.

Confronto dei due strumenti. Il multimetro e l'oscilloscopio calcolano la stessa grandezza, ma per ripple molto piccoli (centinaia di microvolt) l'incertezza di un oscilloscopio senza sonde amplificate è dello stesso ordine del segnale, mentre quella di un multimetro è molto più piccola (esempio febbraio 2024: 200 μ200\ \muV contro 50 μ50\ \muV per un RMS-AC di 115 μ115\ \muV). Inoltre il multimetro filtra il rumore sovrapposto, mentre il calcolo dai campioni dell'oscilloscopio include tutto il rumore visualizzato.

Esempio completo: dente di sega a f0=6,7f_0=6{,}7 Hz

Rampa −150→450-150\to450 mV con T=150T=150 ms. Come la leggerebbe un multimetro in modalità AC? La fondamentale è a 6,76{,}7 Hz, dentro la banda 55-1010 Hz della tabella delle specifiche, con coefficienti 0,38%0{,}38\% della lettura più 0,03%0{,}03\% del fondo scalavalore massimo misurabile con l'impostazione scelta (range). Con fondo scala 11 V e lettura 173173 mV (RMS-AC) l'incertezza estesa è 0,0038⋅0,173+0,0003⋅1=0,960{,}0038\cdot0{,}173+0{,}0003\cdot1=0{,}96 mV; se lo strumento fosse in AC+DC e leggesse 229229 mV sarebbe 1,171{,}17 mV (Esercizio 3 · dente di sega, valore efficace e multimetro true-RMS (tema d'esame febbraio 2023)).

Errori comuni

  • Usare V0/2V_0/\sqrt2 per qualunque forma d'onda: è valido solo per la sinusoide.
  • Dimenticare che un multimetro in AC non vede la componente continua, oppure aggiungerla all'RMS-AC sommando i valori invece dei quadrati (Vrms,DC2=VDC2+Vrms,AC2V_{rms,DC}^2=V_{DC}^2+V_{rms,AC}^2, non Vrms,DC=VDC+Vrms,ACV_{rms,DC}=V_{DC}+V_{rms,AC}).
  • Misurare l'RMS sull'oscilloscopio con full screen quando la finestra non contiene un numero intero di periodi.
  • Prendere come valore efficace di un'onda rettangolare VHdV_H\sqrt d senza considerare il livello basso, o VHd(1−d)V_H\sqrt{d(1-d)} quando si cerca l'RMS totale.

Versione ripasso

Esercizi su questo argomento

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