FI rendszerek periodikus állandósult állapota (JR1 ismétlés)

Hasonló dokumentumok
Diszkrét idej rendszerek analízise szinuszos/periodikus állandósult állapotban

ALAPFOGALMIKÉRDÉSEK VILLAMOSSÁGTANBÓL 1. EGYENÁRAM

Hálózatok számítása egyenáramú és szinuszos gerjesztések esetén. Egyenáramú hálózatok vizsgálata Szinuszos áramú hálózatok vizsgálata

SZINUSZOS ÁRAMÚ HÁLÓZATOK Számítási feladatok

Számítási feladatok a 6. fejezethez

Gibbs-jelenség viselkedésének vizsgálata egyszer négyszögjel esetén

Fourier-sorfejtés vizsgálata Négyszögjel sorfejtése, átviteli vizsgálata

Számítási feladatok megoldással a 6. fejezethez

FI rendszerjellemz függvények

Mintavételezés és FI rendszerek DI szimulációja

1. Milyen módszerrel ábrázolhatók a váltakozó mennyiségek, és melyiknek mi az előnye?

RC tag mérési jegyz könyv

VI pont(45) : Közös alapképzéses záróvizsga mesterképzés felvételi vizsga. Villamosmérnöki szak BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar

VÁLTAKOZÓ ÁRAMÚ KÖRÖK

Villamosságtan szigorlati tételek

4. Konzultáció: Periodikus jelek soros RC és RL tagokon, komplex ellenállás Részlet (nagyon béta)

Átmeneti jelenségek egyenergiatárolós áramkörökben

Gyakorlat 34A-25. kapcsolunk. Mekkora a fűtőtest teljesítménye? I o = U o R = 156 V = 1, 56 A (3.1) ezekkel a pillanatnyi értékek:

2.11. Feladatok megoldásai

Bevezetés a méréstechinkába, és jelfeldologzásba jegyzőkönyv

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

EGYENÁRAMÚ TÁPEGYSÉGEK

A soros RL-kör. t, szög [rad] áram feszültség. 1. ábra Feszültség és áramviszonyok az ellenálláson, illetve a tekercsen

ÁRAMKÖRÖK SZIMULÁCIÓJA

EGYFÁZISÚ VÁLTAKOZÓ ÁRAM

A soros RC-kör. t, szög [rad] feszültség áramerősség. 2. ábra a soros RC-kör kapcsolási rajza. a) b) 3. ábra

Négypólusok tárgyalása Laplace transzformációval

Dr. Gyurcsek István. Példafeladatok. Helygörbék Bode-diagramok HELYGÖRBÉK, BODE-DIAGRAMOK DR. GYURCSEK ISTVÁN

A soros RC-kör. t, szög [rad]

Felvételi vizsga. BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar

RC tag Amplitúdó és Fáziskarakterisztikájának felvétele

RENDSZERTECHNIKA 8. GYAKORLAT

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Elektrotechnika- Villamosságtan

1. feladat R 1 = 2 W R 2 = 3 W R 3 = 5 W R t1 = 10 W R t2 = 20 W U 1 =200 V U 2 =150 V. Megoldás. R t1 R 3 R 1. R t2 R 2

Hatványsorok, Fourier sorok

Elektromosságtan. III. Szinuszos áramú hálózatok. Magyar Attila

A 27/2012 (VIII. 27.) NGM rendelet (12/2013 (III.28) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

Elektronika II laboratórium 1. mérés: R L C négypólusok vizsgálata

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Felvételi vizsga. BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar június 8.

Zárt mágneskörű induktív átalakítók

Diszkrét idej rendszerek analízise az id tartományban

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Villamosmérnöki szak BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Egyfázisú hálózatok. Egyfázisú hálózatok. Egyfázisú hálózatok. komponensei:

Fizika A2E, 8. feladatsor

Fourier-sorok. Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia április 7.

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Elektronika II laboratórium 1. mérés: R L C négypólusok vizsgálata

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

7. L = 100 mh és r s = 50 Ω tekercset 12 V-os egyenfeszültségű áramkörre kapcsolunk. Mennyi idő alatt éri el az áram az állandósult értékének 63 %-át?

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK. Váltakozóáramú hálózatok

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

25/1. Stacionárius és tranziens megoldás. Kezdeti és végérték tétel.

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

Jelgenerátorok ELEKTRONIKA_2

1. Feladat. Megoldás. Számítsd ki az ellenállás-hálózat eredő ellenállását az A B az A C és a B C pontok között! Mindegyik ellenállás értéke 100 Ω.

1. témakör. A hírközlés célja, általános modellje A jelek osztályozása Periodikus jelek leírása időtartományban

Áramköri elemek mérése ipari módszerekkel

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

FI rendszerek analízise a komplex frekvenciatartományban

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Elektrotechnika. 7. előadás. Összeállította: Dr. Hodossy László

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

RC tag Amplitúdó és Fáziskarakterisztikájának felvétele

Csak felvételi vizsga: csak záróvizsga: közös vizsga: Villamosmérnöki szak BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar május 31.

Oszcillátorok. Párhuzamos rezgőkör L C Miért rezeg a rezgőkör?

Feszültségérzékelők a méréstechnikában

FIZIKA. Váltóáramú hálózatok, elektromágneses hullámok

Méréstechnika. Rezgésmérés. Készítette: Ángyán Béla. Iszak Gábor. Seidl Áron. Veszprém. [Ide írhatja a szöveget] oldal 1

Elektrotechnika- Villamosságtan

Elektronika Oszcillátorok

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Bevezetés a méréstechnikába és jelfeldolgozásba 7. mérés RC tag Bartha András, Dobránszky Márk

Elektronika II laboratórium 1. mérés: R L C négypólusok vizsgálata

3.3. A feszültség-munkadiagram

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Fizika A2E, 9. feladatsor

Bevezetés a méréstechnikába és jelfeldolgozásba. Tihanyi Attila 2007 március 27

Fourier sorok február 19.

17/1. Négypólusok átviteli függvényének ábrázolása. Nyquist diagram.

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

19.B 19.B. A veszteségek kompenzálása A veszteségek pótlására, ennek megfelelıen a csillapítatlan rezgések elıállítására két eljárás lehetséges:

25 i, = i, z 1. (x y) + 2i xy 6.1

AUTOMATIKAI ÉS ELEKTRONIKAI ISMERETEK KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ A MINTAFELADATOKHOZ

M pont(30) : (ii) Adja meg az e egyenes egy olyan pontját, melynek első koordinátája 7.

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

Függvények július 13. Határozza meg a következ határértékeket! 1. Feladat: x 0 7x 15 x ) = lim. x 7 x 15 x ) = (2 + 0) = lim.

Egyszerű áramkörök árama, feszültsége, teljesítménye

2.) Fajlagos ellenállásuk nagysága alapján állítsd sorrendbe a következő fémeket! Kezd a legjobban vezető fémmel!

A 2013/2014. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló FIZIKA II. KATEGÓRIA FELADATOK. Különösen viselkedő oszcillátor vizsgálata

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Tételek Elektrotechnika és elektronika I tantárgy szóbeli részéhez 1 1. AZ ELEKTROSZTATIKA ALAPJAI AZ ELEKTROMOS TÖLTÉS FOGALMA 8 1.

Átírás:

FI rendszerek periodikus állandósult állapota (JR ismétlés) Dr. Horváth Péter, BME HV 6. szeptember.. feladat Az ábrán látható ún. Maxwell-Wienhídkapcsolás segítségével egy veszteséges tekercs L x induktivitása és R x soros veszteségi ellenállása mérhet meg. A hidat tápláló feszültségforrás feszültségének id függvénye = U cos(ωt). A híd kiegyenlítését, vagyis az árammér n folyó áram nullázását az R 3 változtatható ellenállás és a C 3 változtatható kondenzátor beállításával végezhetjük el. Adjuk meg az L x és R x meghatározására szolgáló formulákat a híd kiegyenlített állapotában! Használható-e a híd táplálására tetsz leges periodikus feszültség? R x L x R V R R 3 R s C 3 Φ Z x R V R Z 3 Φ R s U s Φ Z x = R x + jωl x Z 3 = R 3 + jωc 3 = + jωr 3C 3 R 3

A voltmér kapcsain a csomóponti potenciálok komplex csúcsértéke feszültségosztással Φ = Φ R Z x + R ill. Kiegyenlített állapotban Φ = Φ Z 3 R + Z 3. Φ = Φ. (Z x + R )Z 3 = (R + Z 3 )R Z x Z 3 = R R (Emlékezzünk, hogy a rezisztív Wheatstone-féle hídnál hasonló feltétel adódott a kiegyenlítésre.) Kiegyenlített esetben a Z x induktív impedanciáját éppen kompenzálja a Z 3 kapacitív impedanciája abban az értelemben, hogy a két impedancia szorzata tisztán rezisztív érték. Mivel Z x = R x + jωl x, a valósrészek összevetésével a képzetes részek összevetése alapján pedig Z x = R R Z 3 = R R R 3 ( + jωr 3 C 3 ) = R R R 3 + jωr R C 3. R x = R R R 3, L x = R R C 3 formában kapjuk a mérend értékeket. A kiegyenlítés feltétele független a frekvenciától, ezért a periodikus jel minden harmonikusára teljesül, vagyis periodikus feszültséggel táplálva a hidat is igazak a fenti formulák. Figyeljük meg, hogy az R x -re kapott összefüggés megegyezik a JR-ben látott rezisztív Wheatstone-hídra kapott összefüggéssel, mert egyenfeszültségen a tekercs rövidzár, a kondenzátor szakadás (jelenlétük gyelmen kívül hagyható). Feltéve, hogy Lx és R x is frekvenciafüggetlenek. A gyakorlatban ez ritkán teljesül.

. feladat Határozzuk meg az alábbi ábrán látható négyszögjel Fourier-sorát! A t Emlékszünk, hogy páros függvények Fourier-sorában csak koszinuszos tagok, páratlan függvények Fouriersorában csak szinuszos tagok vannak (vagy a komplex alakban az együtthatók tisztán valósak, illetve tisztán képzetesek). Hasznos lehet további szimmetriatulajdonságok kihasználása. Egy nagyon hasznos szimmetriatulajdonság az alábbi. Ha például az x(t) periodikus hullámforma egyik félperiódusa éppen a másik félperiódus mínusz egyszerese, vagyis formálisan igaz, hogy ( x t ) = x(t), akkor az alábbi egyszer sítések tehet k a Fourier-sor számításánál: X =, () / Xk A x(t) cos(kω = t) dt, ha k páratlan, ha k páros / Xk B x(t) sin(kω = t) dt, ha k páratlan, ha k páros. Vagyis a Fourier-sorban csak páratlan index harmonikusok lehetnek, az egyenösszetev pedig zérus. Ennek belátását lásd a Függelékben. A feladatbeli jel páratlan, és rendelkezik a fenti szimmetriával. Mivel páratlan, ezért csak az Xk B -ket kell meghatároznunk: () (3) X B k = / x(t) sin(kω t) dt = / A sin(kω t) dt = A [ cos(kω t) kω ] / = = A [ cos(k π t) k π Ezzel a Fourier-sor matematikai valós alakja ]/ = A A [ ( )] = πk πk, ha k páratlan. Az A = V mellett a numerikus értékek x(t) = A π sin ω t + A 3π sin 3ω t + A 5π sin 5ω t +.... x(t) =,73 sin ω t +, sin 3ω t +,55 sin 5ω t +,8 sin 7ω t.... A jel ún. harmadfajú szimmetriával rendelkezik

3. feladat Az alábbi hálózat gerjesztése az el z feladatban is látott szimmetrikus négyszögjel. Határozzuk meg a válaszjel id függvényét négy nem nulla harmonikust tartalmazó Fourier-polinom közelítéssel, ha R =,7 kω és C = nf, ha a) = 5 ms ill. b) ha = ms! Határozzuk meg a forrásfeszültség és u eektív értékét is! R C u A t I. Az átviteli karakterisztika (JR-b l) H(jω) = U (jω) U s (jω) = jωc R + jωc = + jω/ω, az ω = RC törésponti frekvencia bevezetésével. A továbbiakban használjuk a [V, ma, kω, µf, ms, krad/s] koherens egységrendszert! Ezzel ω =,7, 3,7 krad/s. II. A forrásfeszültség Fourier-sorát az el z feladatban kiszámítottuk. A forrásfeszültség id függvénye páratlan, egyszer középértéke pedig nulla. A Fourier-sorban csak szinuszos tagok vannak, és csak p páratlan értékeire: Uk B = A πk, k páratlan. A Fourier-sor matematikai valós alakja: = A π sin ω t + A 3π sin 3ω t + A 5π sin 5ω t +... A feladat megoldásához a mérnöki valós alakot szokás használni: = A π cos(ω t π/) + A 3π cos(3ω t π/) + A 5π cos(5ω t π/) +... A t Látható, hogy ilyen kevés tag mellett a közelítés hibája jelent s. A jel szakadási helyein a Gibbs-oszcilláció is fellép. III. A válaszjel Fourier-polinomjának számításához az alábbi táblázatot készítjük (az A = V értéket behelyettesítve). Közelítsük a gerjesztést négy nem nulla harmonikust tartalmazó Fourier-polinomjával! Az a) esetben = 5 ms, az alapkörfrekvencia ω = π =,57 krad/s. A szuperpozíció elve alapján az egyes harmonikusokra külön-külön számítjuk szinuszos állandósult állapotban a gerjeszt jel fazora és az átviteli tényez alapján a válaszjel fazorát: Y p = H p U p, ahol a H p átviteli tényez H p = H(jω) ω=pω H(jpω ).

p pω U p H p H(jpω ) Y p = U p H p,57 π e jπ/ =,73e jπ/,97e j,37,6e j,898 3 3,77 3π e jπ/ =,e jπ/,7e j,79,97e j,365 5 6,8 5π e jπ/ =,55e jπ/,58e j,38,9e j,69 7 8,8 7π e jπ/ =,8e jπ/,388e j,7,7e j,73 Például az els sorban szerepl H érték számítása: H = H(jω) ω=,57 = + j,57 3,7 = + j,3 =,56e Ez alapján közvetlenül felírhatjuk a válaszjel Fourier-polinomját: j,37 =,97e j,37 u (t),6 cos(,57t,898) +,97 cos(3,77t,365) +,9 cos(6,8t,69) +,7 cos(8,8t,73)v A b) esetben = ms, az alapkörfrekvencia ω = π A válaszjel Fourier-polinomja pedig 3 = 6,83 krad/s. p pω U p H p H(jpω ) Y p = U p H p 6,83 π e jπ/ =,73e jπ/,58e j,39,67e j,68 3 8,85 3π e jπ/ =,e jπ/,93e j,377,8e j,97 5 3,6 5π e jπ/ =,55e jπ/,7e j,53,3e j3,3 7 3,98 7π e jπ/ =,8e jπ/,8e j,87,5e j3,57 u (t),67 cos(6,83t,68)+,8 cos(8,85t,97)+,3 cos(3,6t 3,3)+,5 cos(3,98t 3,57)V..5 u (t) = 5 ms = ms 6 5 3 3 5 6 t.5 Az eredmények értékelését segíti az. és. ábra, ahol a rendszer átviteli karakterisztikája mellett láthatjuk a gerjesztés Foruier-sorának amplitúdóit a megfelel körfrekvencián feltüntetve. Látható, hogy a = 5 ms periódusú jel els néhány Fourier-együtthatójához tartozó frekvencián az RC-tag er sítése egységnyihez közeli, és fázistolás is kicsit, míg a gyorsabb jel esetén már az alapharmonikus is jelent s csillapítást és fázistolást szenved. IV. A forrásfeszültség eektív értéke U s,eff = u s(t) dt = A = A = V, udjuk, hogy Parseval tétele alapján az eektív érték a Fourier-együtthatókból is kiszámítható, a Fourieregyütthatók eektív értékének négyzetösszegeként. El ször a gerjeszt négyszögjel els négy nem nulla harmonikusa alapján a gerjesztést közelít jel eektív értéke: (,6 ) ( ) ( ) ( ),,55,8 Û s,eff = + + + =,975V, 3 A válaszjelen is jól látszik a pontatlan közelítés hatása. ovábbi tagok gyelembe vételével a probléma csökkenthet, lásd az otthoni feladatok között. Ezt természetesen egy szimmetrikus négyszögjel esetén ránézésre is tudhatjuk.

K(ω) = H(jω).5 6 8 6 8 6 8 3 3 3 ϕ(ω) = arch(jω) π/ 6 8 6 8 6 8 3 3 3. ábra. A rendszer átviteli karakterisztikája (piros) és a gerjesztés Fourier-sora (kék) a = 5 ms esetben K(ω) = H(jω).5 6 8 6 8 6 8 3 3 3 ϕ(ω) = arch(jω) π/ 6 8 6 8 6 8 3 3 3. ábra. A rendszer átviteli karakterisztikája (piros) és a gerjesztés Fourier-sora (kék) a = ms esetben

vagyis ha csak az eektív értékeket vesszük gyelembe, a -tagú Fourier-polinom közelítés relatív hibája e =,975 =,5%. A válaszjel eektív értékét a válasz Fourier-sora alapján közelítjük. Az a) esetben ( = 5 ms) (,6 ) ( ) ( ) ( ),97,9,7 Û,eff = + + + =,88V, a b) esetben ( = ms) pedig (,67 ) ( ) ( ) ( ),8,3,5 Û,eff + + + =,6V.

. feladat Az ábrán látható hálózatban R = kω, C = nf, és L = mh. a) Határozzuk meg a hálózat által reprezentált rendszer átviteli karakterisztikáját normálalakban, ha a gerjesztés u s, a válasz pedig u! Vázoljuk az amplitúdó- és a fáziskarakterisztikát! b) Határozzuk meg az RLC kétpólus jósági tényez jét! c) A hálózat által reprezentált rendszer gerjesztése legyen az ábrán látható szimmetrikus négyszögjel, periódusa = 9 µs. Határozzuk meg a válaszjel (u ) domináns összetev jének id függvényét! R C L u A t a) A rendszer átviteli karakterisztikája pl. feszültségosztással Normálalakban: H(jω) = U (jω) U s (jω) = jωl /jωc R + (jωl /jωc) =... = H(jω) = RC jω (jω) + RC jω +. LC jωl (jω) RLC + jωl + R Használjuk a következ koherens egységrendszert: [V, ma, kω, H, ms, µf]. Ezzel H(jω) = 5jω (jω) + 5jω + 5. és ω n = 5 krad/s. Nagyon kicsi, ill. nagyon nagy frekvencián a párhuzamos rezg kör impedanciája kicsi (kis frekvencián az induktivitás, nagy frekvencián a kondenzátor kis impedanciát mutat), az ω n = LC természetes rezonanciafrekvencián az impedancia végtelenné válik. Ebb l következik, hogy a rezonanciafrekvencián az u s teljes mértékben a rezg körön esik, az átviteli tényez abszolútértéke egységnyi, és a fázisa zérus. Kis ill. nagy frekvencián a forrásfeszültség nagy része az ellenálláson esik, emiatt az átviteli tényez abszolútértéke kicsi. Fázisát kis frekvencián az induktív, nagy frekvencián a kapacitív összetev határozza meg.

..8 K(ω).6.. 3 5 6 7 8 9 5 φ(ω)[fok] 5 3 5 6 7 8 9 b) Ha a forrást és az ellenállást (tkp. egy hévenin-generátort) a Norton-ekvivalensével helyettesítjük, akkor egy tisztán párhuzamos rezg körhöz jutunk. JR alapján a párhuzamos rezg kör jósági tényez je a rezonanciafrekvencián C Q = R L =. R növelésével a jósági tényez, ezzel a rezonancia élessége is n. c) A gerjesztés alapkörfrekvenciája: ω = π = 6,98 krad/s.,9 Kiszámítottuk, hogy csak a páratlan harmonikusok vannak jelen a gerjesztésben. A rendszer rezonanciafrekvenciája 5 krad/s, a gerjesztés 7. felharmonikusa (7ω = 8,87 krad/s) ehhez nagyon közel esik, ezért ez az összetev dominálhatja a válaszjelet. Ellen rzésképpen a 5. harmonikus amplitúdóját is kiszámítjuk.

K(ω).5 3 5 6 7 8 9 p pω U p H p Y p = U p H p 5 3,9 5π e jπ/ =,8e jπ/,35e j,35,3e j,35 7 8,87 7π e jπ/ =,e jπ/,99e j,9,65e j, Vagyis valóban a 7. harmonikus dominál, amelynek id függvénye u,7 (t) =,65 cos(8,87t,) V. Függelék A () nyilvánvaló, hiszen a szimmetria miatt a jel egyszer középértéke (egyenösszetev je) zérus. ()-t a következ képpen láthatjuk be. Bontsuk az integrálást két tagra. Ha a szimmetriapont a t =, akkor Xk A (t) = / x(t) cos(kω t) dt = / x(t) cos(kω t) dt + x(t) cos(kω t) dt, / / Az els integrálban vezessük be t helyett az y = t + / változót. Ezzel dt = dy, az integrálás határai pedig t = / helyett y =, t = helyett y = /. Xk A (t) = / ( x y ) ( cos kω y ) / dy + x(t) cos(kω t) dt. Mivel cos kω ( y ) = cos(kω y kπ) = cos kπ cos kω y sin kπ sin kω y = cos kπ cos kω y = ( ) k cos kω y, a feltételezett szimmetria miatt pedig Xk A (t) = / [ x(y)]( ) k cos kω y dy + ( x y ) = x(y), / x(t) cos(kω t) dt = Hasonló meggondolással vezethet le az Xk B -kre vonatkozó (3) összefüggés is. / x(t) cos(kω t) dt, ha k páratlan., ha k páros

Kiegészít (otthoni) feladatok Írjunk programot (Matlab/Octave/...), ami a 3. feladatot magasabb rend Fourier-polinomokkal is meg tudja oldani. Ábrázoljuk a válaszjelek id függvényét nem nulla harmonikusból álló Fourier-polinom közelítéssel!.5.5 u (t) [V].5.5 6 6 t [ms] Ellen rizzük a 3. feladat megoldását áramkörszimulátorral (pl. LSpice)! Vizsgáljuk meg áramkörszimulációval, hogy mennyire tér el a. általunk kiszámított szinuszos jelalaktól! feladatban a válasz id függvénye az