Transformadas de Laplace y la entrada imaginaria

Cuando obtenemos una exponencial en el RHS de nuestra ecuación diferencial (o si le damos una entrada exponencial) es bastante fácil resolver la ecuación, pero si le damos una entrada sinusoidal o cosenoidal, el cálculo se vuelve horrendo. Así que buscamos un truco, damos una entrada exponencial compleja e imaginaria y resolvemos la ecuación diferencial como de costumbre asumiendo A mi i ω t es la solución Y finalmente tomar la parte real para una entrada cosinusoidal y la parte imaginaria para una entrada sinusoidal (teorema de superposición). Lo único importante aquí es encontrar la amplitud compleja A , una vez que encontramos A podemos simplemente multiplicarlo con mi i ω t tomar parte real y llegar a la solución. Aquí hay un buen truco, cuando observamos la respuesta en un circuito simple, digamos un circuito RC, estamos midiendo el voltaje a través del capacitor. El voltaje a través de la tapa es muy similar a un divisor de voltaje pero con un ligero cambio, en lugar de R 2 tiene un 1 i ω C

Entonces, siempre que nos dan un circuito con capacitancias e inductancias, lo convertimos en un circuito abstracto, considerando solo las amplitudes complejas. Encuentre la amplitud requerida y multiplique mi i ω t

Ahora, la transformada de Laplace de alguna manera realiza todos estos pequeños trucos en una pequeña integral. Pero no entiendo cómo, más bien no puedo relacionar estos dos procesos a pesar de que son lo mismo.

"considerando solo las amplitudes complejas", ¿estás seguro de que así es como resuelves un circuito RC? ignorando la R. Le sugiero que estudie las matemáticas detrás de ambas transformadas, la integral no es lo que hace que Laplace funcione. En ambos casos, está cambiando de dependencia del tiempo a dependencia de la frecuencia, que es lo que le permite tratar fácilmente con derivadas e integrales.
@Juan La amplitud compleja de R es solo R, ¿verdad? Entonces, después de realizar un poco de álgebra compleja, multiplicamos \$ ​​e^{i\omega \$ ¿Qué está mal aquí?
cuidado, es correcto decir que la amplitud de R es solo R, pero eso no lo hace complejo. por ejemplo, para RC en serie, haces la raíz cuadrada de R al cuadrado más Xc al cuadrado donde Xc es 1/wC
@Juan "complejo" significa considerar términos "reales" e "imaginarios", así que creo que "complejo" es el término correcto.
lo siento, no estoy acostumbrado a llamar complejas a las resistencias solas.

Respuestas (1)

Creo que puedes ver esto fácilmente desde el i v , características de un capacitor,

i C = C d v C d t
Si el voltaje es de la forma, v C = V mi j ω t , entonces para el sistema LTI la corriente es de la forma i C = I C mi j ω t ,
I C mi j ω t = C d d t ( V mi j ω t )
I C mi j ω t = C j ω V mi j ω t
V C I C = 1 j ω C
Por lo tanto, para entradas sinusoidales, puede reemplazar el capacitor por esta impedancia equivalente. Se puede realizar un cálculo similar para la resistencia o el inductor para calcular sus respectivas impedancias.

En respuesta a la edición:
intuitivamente, la transformada de Fourier está descomponiendo una señal en sus componentes exponenciales. Su amplitud a una frecuencia dada implica cuánto contribuye una frecuencia dada a la señal total.
Para una señal puramente exponencial, solo tiene una frecuencia única, por lo que la amplitud de la exponencial es en sí misma la Transformada de Fourier.
Aquí hay un enfoque más matemático:
para una entrada puramente exponencial, v ( t ) = V mi j ω o t , V y ω o son constantes. Tomando la transformada de Fourier,
V ( j ω ) = V d ( ω ω o )
De este modo,
V ( j ω o ) = V
En otras palabras, la amplitud de la exponencial es equivalente a la Transformada de Fourier.

muy bien mostrado, señor.
Lo siento, pero no entiendo cómo mostraste cómo la transformada de Laplace hace esto. Quiero decir que entiendo el modelo de impedancia pero no entiendo cómo Laplace hace lo mismo
@AravindhVasu Simplemente tome la transformada de Laplace de la ecuación diferencial para obtener el mismo resultado. He actualizado mi respuesta, espero que esté claro ahora.
Sí, eso lo anoté, pero ¿cómo hace esto la integral? Esa es mi pregunta. ¿Cómo es tomar una integral igual a dar una entrada exponencial compleja?
Disculpa, si ya habías explicado lo mismo, pero no entiendo cómo codifica la integral este proceso.
@AravindhVasu Si entiendo su pregunta correctamente, actualicé mi respuesta de acuerdo con ella.
La respuesta a su "¿Qué tan integral es esto?" está en matemáticas detrás de la transformada de Laplace y la correlación entre el dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia. Laplace transforma las ecuaciones diferenciales integrales de 'mapas' en algebraicas (estas son de hecho sus propiedades que las hacen tan poderosas) haciéndolas matemáticamente fáciles de manejar.