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ET2_L_B12_A6.tex 4.3KB

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  1. \section{Rechteckspannung}
  2. Gegeben ist eine periodische Rechteckspannung mit der Periodendauer von $10\,\milli\second$.\\
  3. Berechnen Sie den Effektivwert, wenn der arithmetische Mittelwert gleich Null ist.\\
  4. \begin{align*}
  5. \begin{tikzpicture}[scale=0.5]
  6. \begin{scope}[>=latex,thick]
  7. \draw [->](0,-2) -- (10.75,-2) node [right] {$t\,[\milli\second]$};
  8. \draw [->](0,0) -- (0,5.5) node [above] {$u\,[\volt]$};
  9. \draw [<->,blue, very thick] (-.5,0)--(-.5,5) node at (0,2.5)[right]{$5\,\volt$};
  10. \draw [red,very thick](-0.5,0)--(0,0)--(0,5)--(7,5)--(7,0)--(10,0)
  11. --(10,5)--(10.5,5);
  12. \foreach \x in {0,1,...,10}
  13. \draw (\x,-2) -- (\x,-2.2) node[anchor=north] {$\x$};
  14. \foreach \y in {0,1,...,5}
  15. \draw (0,\y) -- (-0.2,\y);% node[anchor=east] {$\y$};
  16. \end{scope}
  17. \end{tikzpicture}
  18. \end{align*}
  19. \ifthenelse{\equal{\toPrint}{Lösung}}{%
  20. \begin{align}
  21. \intertext{Formeln:}
  22. \overline{u}&=\frac{1}{T}\cdot \int_{t=0}^{T}{u(t)\cdot dt}&\text{Arithmetischer Mittelwert}\\
  23. U&=U_{\textrm{eff}}=\sqrt{\frac{1}{T}\cdot \int_{t=0}^{T}{u^2(t)\cdot dt}}&\text{Effektivwert}&
  24. \end{align}
  25. \begin{align*}
  26. \intertext{Berechnung:}
  27. \intertext{a) Arithmetischer Mittelwert $\overline{u}=0$}
  28. &\text{$\Rightarrow$ Fläche ober- und unterhalb der Nulllinie muß gleich sein!}\\
  29. &\text{$\Rightarrow$ Wo ist die Nulllinie?}
  30. \end{align*}
  31. \begin{align*}
  32. \begin{tikzpicture}[scale=0.5]
  33. \begin{scope}[>=latex,thick]
  34. \draw [->](0,0) -- (10.75,0) node [right] {$t\,[\milli\second]$};
  35. \draw [->](0,0) -- (0,5.5) node [above] {$u\,[\volt]$};
  36. \fill [black!15!] (0,3.5)rectangle(7,5) (7,3.5)rectangle(10,0);
  37. \draw [red,very thick](-0.5,0)--(0,0)--(0,5)--(7,5)--(7,0)--(10,0)
  38. --(10,5)--(10.5,5);
  39. \draw [blue,very thick] (0,3.5)--(10,3.5) node [right]{NULL};
  40. \draw [->,blue,very thick] (3.5,3.5)--(3.5,5) node at(3.5,4.25)[right]{$u_1$};
  41. \draw [<-,blue,very thick] (8.5,0)--(8.5,3.5) node at(8.5,1.75)[right]{$u_2$};
  42. \foreach \x in {0,1,...,10}
  43. \draw (\x,0) -- (\x,-0.2) node[anchor=north] {$\x$};
  44. \foreach \y in {-3.5,-2.5,...,1.5}
  45. \draw (0,\y+3.5) -- (-0.2,\y+3.5) node[anchor=east] {$\y$};
  46. \end{scope}
  47. \end{tikzpicture}
  48. \end{align*}
  49. \enlargethispage{1cm}
  50. \begin{align*}
  51. &u_1+(-u_2)=5\,\volt\rightarrow u_2=-(5\,\volt-u_1)\\
  52. &\text{Fläche:}\\
  53. &\frac{1}{T}\int_{0}^{T}{u(t)\cdot dt}\stackrel{!}{=}0\\
  54. &\frac{1}{T}\cdot \left(\int_{0}^{7\,\milli\second}{u_1\cdot dt}-\int_{7\,\milli\second}^{10\,\milli\second}{u_2\cdot dt}\right)\stackrel{!}{=}0\\
  55. &u_1\cdot 7\,\milli\second-u_2\cdot 3\,\milli\second=0\\
  56. &u_1\cdot 7\,\milli\second-(5\,\volt-U_1)\cdot 3\,\milli\second=0\\
  57. &(7\,\milli\second+3\,\milli\second)\cdot u_1=15\,\volt\cdot \milli\second\\
  58. &u_1=\frac{15\,\volt\cdot \milli\second}{10\,\milli\second}=\uuline{1{,}5\,\volt}\\
  59. &u_2=-(5\,\volt-1{,}5\,\volt)=\uuline{-3{,}5\,\volt}
  60. \intertext{Alternativ mit Beträgen}
  61. &|u_1|+|u_2|=5\,\volt\rightarrow |u_2|=5\,\volt-|u_1|\\
  62. &\text{Fläche:}\\
  63. &\frac{1}{T}\int_{0}^{T}{u(t)\cdot dt}\stackrel{!}{=}0\\
  64. &\frac{1}{T}\cdot \left(\int_{0}^{7\,\milli\second}{u_1\cdot dt}-\int_{7\,\milli\second}^{10\,\milli\second}{u_2\cdot dt}\right)\stackrel{!}{=}0\\
  65. &u_1\cdot 7\,\milli\second-u_2\cdot 3\,\milli\second=0\\
  66. &u_1\cdot 7\,\milli\second-(5\,\volt-|u_1|)\cdot 3\,\milli\second=0\\
  67. &(7\,\milli\second+3\,\milli\second)\cdot |u_1|=15\,\volt\cdot \milli\second\\
  68. &|u_1|=\frac{15\,\volt\cdot \milli\second}{10\,\milli\second}=\uline{1{,}5\,\volt}\qquad
  69. |u_2|=5\,\volt-1{,}5\,\volt)=\uline{3{,}5\,\volt}\\
  70. &\text{Da $u_1$ positives Vorzeichen in der Skizze hat, muss $u_2$ ein negatives Vorzeichen erhalten.}\\
  71. \Rightarrow& u_1=\uuline{1{,}5\,\volt} \qquad u_2=\uuline{-3{,}5\,\volt}
  72. \intertext{b) Effektivwert}
  73. U^2&=U^2_{\textrm{eff}}=\frac{1}{T}\int{\left(u(t)\right)^2\cdot dt}\\
  74. &=\frac{1}{10\,\milli\second}\left(\int_{0}^{7\,\milli\second}{(1{,}5\,\volt)^2\cdot dt}+\int_{7\,\milli\second}^{10\,\milli\second}{(-3{,}5\,\volt)^2\cdot dt}\right)\\
  75. &=\frac{1}{10\,\milli\second}\cdot \left(2{,}25\,\volt^2\cdot \big[t\big]_{0}^{7\,\milli\second}+12{,}25\,\volt^2\cdot \big[t\big]_{7\,\milli\second}^{10\,\milli\second}\right)\\
  76. &=\frac{1}{10\,\milli\second}\cdot \left(2{,}25\,\volt^2\cdot 7\,\milli\second+12{,}25\,\volt^2\cdot (10\,\milli\second-7\,\milli\second)\right)=5{,}25\,\volt^2\\
  77. U&=\sqrt{5{,}25\,\volt^2}=\uuline{2{,}29\,\volt}
  78. \end{align*}
  79. \clearpage
  80. }{}%