Analisi forme d’onda canoniche
Introduzione alle forme d'onda quadra, triangolare e sinusoidale
Questo articolo vuole fare chiarezza sulle principali tipologie di forma d’onda, cercando per ciascuna di mettere in evidenza le proprie peculiarità. Alcuni concetti saranno dati per scontati, pertanto si raccomanda la lettura della nostra guida Utilizzo dell’oscilloscopio. Come già accennato all’interno della guida, le principali forme d’onda della tensione sono quadra, sinusoidale e triangolare.Per ciascuna di queste forme d’onda è possibile ricavare una serie di informazioni standard più altre grandezze specifiche della singola onda. Analizziamone ora nel dettaglio una alla volta.
La particolarità di questa forma d’onda è che assume sempre e solo due valori/livelli. Possiamo infatti identificare un livello alto (HIGH, H, 1, ON) oppure un livello basso (LOW, L, 0, OFF). Possiamo facilmente intuire che tale forma d’onda si addice benissimo in tutti quei comandi ON/OFF o informazioni binarie. Nell’elettronica digitale spesso troviamo come livello LOW il riferimento 0 volt (GND) e come livello alto la tensione 3.3V (ad esempio nella board Arduino DUE e RaspberryPI) oppure 5 V (ad esempio nella board Arduino UNO).
Inoltre, gestendo questa forma d’onda con metodi particolare (PWM in primis), è possibile ampliarne gli utilizzi.
Oltre alle grandezze Vpp, Vp+, Vp-, T e f, per l’onda quadra è molto importante il duty-cycle traducibile in italiano con ciclo di lavoro. Esso rappresenta il rapporto tra la durata del livello HIGH rispetto l’intero periodo, pertanto è calcolabile con la relazione:
\(d=\frac{T_{HIGH}}{T} =\frac{T_{HIGH}}{T_{HIGH}+T_{LOW}}\)Onda sinusoidale
La forma d’onda sinusoidale viene sfruttata nel modo dell’elettrotecnica, dalla generazione alla distribuzione, poiché deriva direttamente dal modo di operare degli alternatori e delle leggi dell’elettromagnetismo. Inoltre si è dimostrato che distribuendo l’energia in forma sinusoidale si hanno meno perdite per tratte di trasporto di lunghezza maggiore.
Ponendo caso di analizzare la forma d’onda che arriva nelle nostre case otteniamo quanto segue:
Calcolo la tensione picco picco:
\(Vpp = n_{div} \cdot \frac{volts}{div} = 650 volt\)
Calcolo la tensione picco positivo:
\(Vp+ = n_{div} \cdot \frac{volts}{div} = 325 volt\)
Calcolo la tensione picco negativo:
\(Vp- = n_{div} \cdot \frac{volts}{div} = 325 volt\)
Calcolo il periodo:
\(T = n_{div} \cdot \frac{time}{div} = 5\cdot 4 = 20 ms = 0.020 secondi\)
Calcolo la frequenza:
\(f=\frac{1}{T}=\frac{1}{0.020} = 50Hz\)
Da questi semplici calcoli possiamo notare come la tensione Vpp sia notevolmente alta e che la forma d’onda si ripete ben 50 volte in un secondo! Arrivati a questo punto è doveroso introdurre due nuove grandezze che interessano in modo particolare tale forma d’onda.
Valore efficace: è quel valore che, se riportato in continua, produce i medesimi effetti termici (definizione molto semplificata). Possiamo facilmente capire che si tratta di un parametro numerico calcolabile con la seguente relazione:
\(V_{eff} = \frac{Vp+}{\sqrt{2}} = \frac{Vpp}{2\cdot \sqrt{2}}\)
Tale relazione è valida solo è la forma d’onda ha valore medio nullo.
Valore medio: è la media matematica dell’area sottesa dalla forma d’onda tra la semionda positiva (sopra la linea del GND) e la semionda negativa (sotto la linea del GND).
Infatti, se noi prendiamo un multimetro digitale e proviamo a misurare la tensione di casa in modalità sinusoidale esso ci riporterà 230V, invece se attiviamo la funzione continua misureremo il valore medio, ovvero 0V.
Onda triangolare
Tale forma d’onda viene principalmente utilizzata nell’elettronica digitale quando è necessario avere un picco massimo e un picco minimo solo in un istante, e avere una salita e discesa tra questi due picchi non istantanea.
