17  Periodische Signale

17.1 Stromarten

Neben dem Gleichstrom, der ausführlich in GEL1 behandelt wurde, gibt es weitere Stromarten.

Der Wechselstrom kennzeichnet sich durch sein beliebig periodisches Verhalten. Die Richtung und Größe variiert dabei mit der Zeit t. Eine Sonderform, die große Bedeutung hat ist der Sinusstrom.

Weiterhin gibt es den Mischstrom, der aus einer Überlagerung von Gleichstrom und Wechselstrom entsteht und zum Beispiel durch das Gleichrichten verursacht wird.

Des Weiteren gibt es noch die sogenannten modulierten Ströme. Dort schwanken entweder die Amplitude A, die Frequenz f oder der Nullphasenwinkel \(\varphi\) mit der Zeit t. Solche Signale werden hier nicht weiter behandelt. Diese kommen in dem Modul Grundlagen der Informationstechnik vor, welches im 4. Semester in der Vertiefungsrichtung Informationstechnik liegt.

import matplotlib.pyplot as plt

plt.figure()
plt.axhline(y = 0.75)
plt.xlabel('Zeit in s')
plt.ylabel('Spannung in V')
plt.title('Gleichstrom')
plt.grid()
plt.show()

Abbildung 17.1: Gleichstrom

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

T = 1
fs = 1000
time = np.linspace (0, T, T*fs)

f = 5
sinus1 = np.sin(2 * np.pi * f * time)
sinus2 = np.sin(2 * np.pi * 0.5*f * time)

plt.figure()
plt.plot(time,sinus1+sinus2)
plt.xlabel('Zeit in s')
plt.ylabel('Spannung in V')
plt.title('Wechselstrom')
plt.grid()
plt.show()

Abbildung 17.2: Wechselstrom

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

T = 1
fs = 1000
time = np.linspace (0, T, T*fs)

f = 5
sinus = np.sin(2 * np.pi * f * time)

plt.figure()
plt.plot(time,sinus)
plt.xlabel('Zeit in s')
plt.ylabel('Spannung in V')
plt.title('Sinusstrom')
plt.grid()
plt.show()

Abbildung 17.3: Sinusstrom

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

T = 1
fs = 1000
time = np.linspace (0, T, T*fs)

f = 5
sinus = np.sin(2 * np.pi * f * time)

plt.figure()
plt.plot(time,sinus+0.5)
plt.xlabel('Zeit in s')
plt.ylabel('Spannung in V')
plt.title('Mischstrom')
plt.grid()
plt.show()

Abbildung 17.4: Mischstrom

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

T = 1
fs = 1000
time = np.linspace (0, T, T*fs)

f = 20
sinus1 = np.sin(2 * np.pi * f * time)
sinus2 = 0.2 * np.sin(2 * np.pi * 0.1*f * time)
modulated = (1 + 0.5 * np.sin(2 * np.pi * 0.1*f * time)) * np.sin(2 * np.pi * f * time)

plt.figure()
plt.plot(time,modulated)
plt.xlabel('Zeit in s')
plt.ylabel('Spannung in V')
plt.title('amplituden-moduliertes Signal')
plt.grid()
plt.show()

Abbildung 17.5: Amplituden-moduliertes Signal

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

fs = 2000
fc = 100
fm = 15
beta = 3
t = np.arange(0,0.2,1/fs)

frm = np.cos(2*np.pi*fc*t + beta*np.sin(2*np.pi*fm*t))
m = np.cos(2*np.pi*fm*t)

plt.figure()
plt.plot(t,frm)
plt.xlabel('Zeit in s')
plt.ylabel('Spannung in V')
plt.title('frequenz-moduliertes Signal')
plt.grid()
plt.show()

Abbildung 17.6: Frequenz-moduliertes Signal

17.2 Kennwerte von Wechselgrößen

Allgemein kann man eine sich zeitlich ändernde sinusförmige Wechselgröße mit der folgenden Funktion beschreiben.

\[ x(t) = \hat{x} \sin(\omega t + \varphi) \]

Dabei wird sowohl der Zeitwert \(x(t)\) als auch der Scheitelwert \(\hat{x}\) mit einem kleinen Formelbuchstaben bezeichnet.

17.2.1 Periodendauer und Frequenz

Da sich eine sinusförmige Wechselgröße nach Ablauf des Winkels \(2\pi = 360^° = \omega T\) wiederholt, kann man die Periodendauer \(T\) über die Kreisfrequenz \(\omega\) darstellen.

\[ T = \frac{2 \pi}{\omega} \]

Die Frequenz \(f\) gibt die Anzahl der Perioden pro Sekunde an und wird in Hz = 1/s gemessen. Die Frequenz \(f\) ist der Kehrwert der Periodendauer.

\[ f = \frac{1}{T} \]

Die Kreisfreqeunz ist die Frequenz mit dem Faktor \(2\pi\) erweitert. Sie wird in 1/s und nicht in Hz gemessen!

\[ \omega = 2 \pi f = \frac{2\pi}{T} \]

17.2.2 Phasenlage

Sinusgrößen können zu verschiedenen Zeitpunkten ihre Scheitelwerte und Nulldurchgänge erreichen. Man sagt, dass diese Größen unterschiedliche Phasenlagen haben, sie sind gegeneinander phasenverschoben.

Abbildung 17.7: Phasenlage

Entn. aus [1]

Nullphasenwinkel

Allgemein gesprochen beginnt eine Sinusfunktion bei \(t\)=0 und geht um den Nullphasenwinkel \(\varphi_x\) früher als die normale Sinusfunktion \(\sin(\omega t)\) durch Null. Das Vorzeichen des Winkels ist sehr wichtig!

Beim positiven Nulldurchgang der Sinusgröße wird ein Pfeil zum Nullpunkt gezeichnet. Ist der Pfeil in Zählrichtung der Zeitachse, so ist der Nullphasenwinkel positiv; ist der Pfeil entgegen der Zählrichtung der Zeitachse, so ist er negativ, vgl. Abbildung 17.7.

Phasenwinkel

Zusätzlich zum Nullphasewinkel gibt es den Phasenwinkel. Dieser gibt die Phasenverschiebung zwischen zwei Sinussignalen an. Es ist festgelegt, dass der Strom in solchen Fällen als Bezugsgröße genommen wird.

\[ \varphi = \varphi_U - \varphi_I \]

Beispiel:

\[ \varphi_I = -\frac{\pi}{3} = -60° \]

\[ \varphi_U = \frac{\pi}{6} = 30° \]

\[ \varphi = \varphi_U - \varphi_I = \left( \frac{\pi}{6} \right) - \left( -\frac{\pi}{3} \right) = 30° - (-60°) = \frac{\pi}{2} = 90° \]

Die Spannung eilt dem Strom um \(\varphi = 90°\) vor.

17.2.3 Mittelwert

Der Mittelwert ist der zeitlich durchschnittliche Wert einer Funktion.

\[ \overline{x(t)} = \frac{1}{T} \int\limits_{t_0}^{t_o + T} x(t) dt \]

Bei reinem Wechselstrom ist der Mittelwert 0.

17.2.4 Gleichrichtwert

Der Gleichrichtwert ist der Mittelwert einer gleichgericheten Größe.

\[ \overline{|x(t)|} = \frac{1}{T} \int\limits_{t_0}^{t_0 + T} |x(t)| dt \]

Verhältnis von Gleichricht- zu Scheitelwert (bei Sinusgrößen): \(\frac{\overline{|i|}}{\hat{i}} = 0.6366\)

17.2.5 Effektivwert

Der Effektivwert einer periodischen Spannung (oder eines periodischen Stroms) entspricht dem Wert einer Gleichspannung (eines Gleichstroms), der in einer ohmschen Last dieselbe Leistung umsetzt.

\[ X = X_{eff} = \sqrt{\frac{1}{T} \int\limits_{t_0}^{t_0 + T} x^2(t) dt} \]

17.2.6 Formfaktor

Der Formfaktor stellt das Verhältnis von Effektivwert \(I_{eff}\) bzw. \(U_{eff}\) zu Gleichrichtwert \(\overline{|i|}\) bzw. \(\overline{|u|}\) dar.

\[ F = \frac{X_{eff}}{\overline{|x|}} \]

Der Formfaktor für Sinusgrößen beträgt \(F = \frac{\pi}{2\sqrt{2}} \approx 1.11\).

Der Formfaktor für Dreiecksignale beträgt \(F = \frac{1.11}{2}\).

Der Formfaktor für Rechtecksignale beträgt \(F = 1.11\).

17.2.7 Scheitelfaktor

Der Scheitelfaktor ist das Verhältnis von Scheitelwert \(\hat{i}\) bzw. \(\hat{u}\) zum Effektivwert \(I_{eff}\) bzw. \(U_{eff}\).

\[ \sigma = \frac{\hat{x}}{X_{eff}} \]

Der Scheitelfaktor für Sinusgrößen beträgt \(\sigma = \sqrt{2} = 1.414\).

Der Scheitelfaktor für Dreieckspannung beträgt \(\sigma = \sqrt{3}\).

Der Scheitelfaktor für Rechtecksignale beträgt \(\sigma = 1\).

17.2.8 Effektivwert mit Gleichstromanteil

Abbildung 17.8: Mischspannung

Entn. aus [2]

\[ X_{eff} = \sqrt{X_o^2 + X_{eff\sim}^2} \]

17.3 Übungen

Aufgabe 3.1

Ein Sinusstrom mit dem Scheitelwert \(\hat{i}\) = 10 A fließt durch die Brückengleichrichterschaltung von Abbildung 17.9

Abbildung 17.9: Aufgabe 3.1

Entn. aus [1]

Welche Elektrizitätsmenge Q wird während der Zeit t = 2 h befördert? Tipp: \(Q = i \cdot t\)

VorsichtLösung 3.1

\[ \overline{|i|} = 0.6366 \hat{i} = 0.6366 \cdot 10 A = 6.366 A \]

\[ Q = \overline{|i|} t = 6.366 A \cdot 2 h = 12.73 Ah \]

Aufgabe 3.2

Die übliche Netzspannung 1982 betrug U = 220 V bei der Netzfrequenz \(f\) = 50 Hz. Es sind der Gleichrichtwert \(\overline{|u|}\) und die Zeitfunktion \(u(t)\) dieser Spannung zu bestimmen.

VorsichtLösung 3.2

Netzspannung ist Sinusförmig –> Formfaktor F = 1.111

Gleichrichtwert:

\[ \overline{|u|} = \frac{U}{F} = \frac{220 V}{1.111} = 198 V \]

Zeitfunktion:

Scheitelwert:

\[ \hat{u} = \sqrt{2} U = \sqrt{2} \cdot 220 V = 311.1 V \]

Kreisfrequenz:

\[ \omega = 2 \pi f = 2 \pi \cdot 50 Hz = 314.2 \frac{1}{s} \]

\[ u = \hat{u} sin(\omega t) = 311.1 V \cdot sin(314.2 \frac{1}{s} t) \]

Aufgabe 3.3

In Abbildung 17.10 a bis d sind periodische, zeitabhängige Spannungen mit dem Spitzenwert \(\hat{u}\) = 10 V und der Periodendauer \(T\) gegeben. Berechnen Sie jeweils den Mittelwert, den Gleichrichtwert sowie den Effektivwert für die gezeigten Spannungsverläufe.

Abbildung 17.10: Aufgabe 3.3

Entn. aus [3]

VorsichtLösung 3.3

1. Mittelwert:

\[ \overline{u} = \frac{1}{T} \int\limits_{0}^{T} u(t)dt = \frac{1}{T} \left[ \hat{u} \frac{3T}{4} - \hat{u} \frac{T}{4} \right] = \frac{\hat{u}}{2} = 5 V \]

Gleichrichtwert:

\[ \overline{|u|} = \frac{1}{T} \int\limits_{0}^{T} |u(t)|dt = \frac{1}{T} \left[ \hat{u} \frac{3T}{4} + |-\hat{u}| \frac{T}{4} \right] = \hat{u} = 10 V \]

Effektivwert:

\[ U_{eff} = \sqrt{\frac{1}{T} \int\limits_{0}^{T} u^2(t)dt} = \sqrt{\frac{1}{T} \left[ \hat{u}^2 \frac{3T}{4} + (-\hat{u}^2) \frac{T}{4} \right]} = \hat{u} = 10 V \]

2. Mittelwert:

\[ \overline{u} = \frac{1}{T} \int\limits_{0}^{T} \hat{u} \frac{t}{T} dt = \frac{\hat{u}}{T^2} \frac{t^2}{2} \Big\vert_0^T = \frac{\hat{u}}{2} = 5 V \]

Gleichrichtwert:

\[ \overline{|u|} = |u| = 5 V \]

Effektivwert:

\[ U_{eff} = \sqrt{\frac{1}{T} \int\limits_{0}^{T} \left(\hat{u} \frac{t}{T} \right)^2 dt} = \sqrt{\frac{\hat{u}^2}{T^3} \frac{t^3}{3} \Big\vert_0^T} = \sqrt{\frac{\hat{u}^2}{3}} = \frac{\hat{u}}{\sqrt{3}} = 5.77 V \]

3. Mittelwert:

\[ \overline{u} = \frac{\hat{u}}{4} = 2.5 V \]

Gleichrichtwert:

\[ \overline{|u|} = \overline{u} = 2.5 V \]

Effektivwert:

\[ U_{eff} = \sqrt{\frac{1}{T} \int\limits_{0}^{T/2} \left(2\hat{u} \frac{t}{T} \right)^2 dt} = \sqrt{\frac{4\hat{u}^2}{T^3} \frac{t^3}{3} \Big\vert_0^{T/2}} = \sqrt{\frac{\hat{u}^2}{6}} = \frac{\hat{u}}{\sqrt{6}} = 4.08 V \]

4. Mittelwert:

\[ \overline{u} = 0 V \]

Gleichrichtwert:

\[ \overline{|u|} = \frac{1}{T} \left[ \hat{u} \frac{T}{4} + \hat{u} \frac{T}{4} \right] = \frac{\hat{u}}{2} = 5 V \]

Effektivwert:

\[ U_{eff} = \sqrt{\frac{1}{T} \int\limits_{0}^{T/2} \left( 2\hat{u} \frac{t}{T} \right)^2 dt + \frac{1}{T} \int\limits_{T/2}^{T} \left( 2\hat{u} \frac{t - T}{T} \right)^2 dt} = \sqrt{\frac{\hat{u}^2}{6} + \frac{\hat{u}^2}{6}} = \frac{\hat{u}}{\sqrt{3}} = 5.77 V \]

Aufgabe 3.4

Ein Wechselstrom besteht nach der Abbildung aus “angeschnittenen” Sinushalbschwingungen. In den Bereichen \(0 < \omega t < \alpha\) und \(\pi < \omega t < (\pi + \alpha)\) fließt kein Strom (i = 0), wobei \(\alpha = \pi/4 = 45°\) sei. In der übrigen Zeit (innerhalb des Bereiches \(0 < \omega t < 2\pi)\) wird der Stromverlauf durch die Gleichung \(i = \hat{i} sin(\omega t)\) wiedergegeben. Hierbei betrage der Scheitelwert des Stromes \(\hat{i} = 10 A\).

Wie groß ist der Effektivwert \(I_{eff}\) des Stromes?

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

omega_t = np.arange(0,2*np.pi,np.pi/(2**6))
i = 10 * np.sin(omega_t)

alpha = np.pi/4

for a in range(len(i)):
    if omega_t[a] < alpha or (omega_t[a] > np.pi and omega_t[a] < np.pi+alpha):
        i[a] = 0
        
list_ticks = [None]*128
list_ticks[0] = '0'
list_ticks[63] = '$\pi$'
list_ticks[127] = '$2\pi$'
        
plt.figure()
plt.plot(omega_t, i)
plt.xlabel('$\omega t$')
plt.ylabel('i')
# plt.xticks([0,63,127],['0','$\pi$','2$\pi$'])
plt.xticks(omega_t,list_ticks)
plt.grid(True)

Abbildung 17.11: Aufgabe 3.4

VorsichtLösung

\[ I = \sqrt{\frac{1}{2\pi} \int\limits_{0}^{2\pi} i^2 d\omega t} \]

\[ \int\limits_{0}^{2\pi} i^2 d\omega t = 2\int\limits_{0}^{\pi} i^2 d\omega t = 2\int\limits_{0}^{\pi} \hat{i}^2 \cdot sin^2(\omega t) d\omega t \]

\[ 2\int\limits_{0}^{\pi} \hat{i}^2 \cdot sin^2(\omega t) d\omega t = 2\hat{i}^2 \left(\frac{1}{2} \omega t - \frac{1}{4} sin(2\omega t) \right) \Big\vert_\alpha^\pi = \hat{i}^2 \left( \pi - \alpha + \frac{1}{2} sin(2\alpha) \right) \]

\[ I = \sqrt{\frac{1}{2\pi} \cdot \int\limits_{0}^{2\pi} i^2 d\omega t} = \sqrt{\frac{1}{2\pi} \hat{i}^2 \left( \pi - \alpha + \frac{1}{2} sin(2\alpha) \right)} = \sqrt{\frac{1}{2\pi} \cdot (10 A)^2 \cdot \left( \pi - \frac{\pi}{4} + \frac{1}{2} \cdot sin(2 \cdot 45°) \right)} = 6.74 A \]

Aufgabe 3.5

An einem ohmschen Widerstand \(R = 30 \Omega\) liegt eine mittelwertfreie Dreieckspannung mit der Amplitude \(\hat{u} = 9 V\) und der Frequenz \(f = 100 Hz\) an.

Welche Wirkleistung P wird im zeitlichen Mittel im Widerstand R umgesetzt?

VorsichtLösung

Dreieckspannung –> Scheitelfaktor \(\xi = \sqrt{3}\)

\[ U = \frac{\hat{u}}{\sqrt{3}} = \frac{9 V}{\sqrt{3}} = 5.196 V \]

\[ P = \frac{U^2}{R} = \frac{5.196 V}{30 \Omega} = 0.9 W \]

Aufgabe 3.6

An einem ohmschen Widerstand R liegt eine Zägezahnspannung, die von einer Gleichspannung überlagert ist, an:

Abbildung 17.12: Aufgabe 3.6

Entn. aus [2]

1. Bestimmen Sie den Mittelwert \(\overline{u(t)}\) des periodischen Spannungsverlaufes u(t).

2. Berechnen Sie den Effektivwert U des periodischen Spannungsverlaufes u(t).

3. Welche Wirkleistung P wird im zeitlichen Mittel im Widerstand R umgesetzt? (23.4)

VorsichtLösung

\[ \overline{u(t)} = \frac{U_1 + U_2}{2} \]

\[ U = \sqrt{\left( \frac{U_2 - U_1}{2 \cdot \sqrt{3}} \right)^2 + \left( \frac{U_1 + U_2}{2} \right)^2} \]

\[ P = \frac{U^2}{R} \]

Aufgabe 3.7

Durch den ohmschen Widerstand R fließt ein Sinusstrom, der mit einem Gleichstrom überlagert ist:

Abbildung 17.13: Aufgabe 3.7

Entn. aus [2]

1. Bestimmen Sie den Mittelwert \(\overline{i(t)}\) des periodischen Stromverlaufes i(t).

2. Berechnen Sie den Effektivwert I des periodischen Stromverlaufes i(t).

3. Welche Wirkleistung P wird im zeitlichen Mittel im Widerstand R umgesetzt? (23.6)

VorsichtLösung

\[ \overline{i(t)} = I_0 \]

\[ I = \sqrt{I_0^2 + \left( \frac{I_0}{\sqrt{2}} \right)^2} \]

\[ P = I^2 \cdot R \]

[1]

H. Fricke und P. Vaske, Elektrische Netzwerke Grundlagen der Elektrotechnik 1, 17. Aufl. Stuttgart, Germany: B.G. Teubner, 1982.

[2]

S. Schenke, „Grundlagen der Elektrotechnik — Jetzt schaffst Du die Prüfung!“, Helmut-Schmidt Universität Hamburg, Germany; online, 2023. Verfügbar unter: http://www.stefan-schenke.de/get/

[3]

M. Albach und J. Fischer, Elektrotechnik Aufgabensammlung. Pearson, 2020. Verfügbar unter: https://elibrary.pearson.de/book/99.150005/9783863268930