Ile mocy i jaki błąd zostaje po zachowaniu trzech harmonicznych?
Dla idealnego napięcia prostokątnego ±2,00 V zachowano tylko harmoniczne o numerach 1, 3 i 5. Ich amplitudy wynoszą Aₙ = 8/(πn) V. Oblicz średni kwadrat przybliżenia, część średniej mocy zachowaną na tym samym oporniku i wartość skuteczną błędu względem pełnego prostokąta. Czy mały brakujący udział mocy gwarantuje mały błąd w każdej chwili?
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Pełny przebieg ma stale u² = 4 V² poza punktami skoku. Błąd zawiera pominięte harmoniczne, ortogonalne do zachowanych, więc jego średni kwadrat jest różnicą dwóch średnich kwadratów.
Rozwiązanie
1. Sumujemy trzy wkłady
Dla każdej sinusoidy średni kwadrat jest połową kwadratu amplitudy. Zatem:
\langle u_5^2\rangle=\frac{32}{\pi^2}\left(1+\frac19+\frac1{25}\right)\,\mathrm{V}^2\approx3{,}73222\,\mathrm{V}^2.
Pełne napięcie ma średni kwadrat 4 V². Średnia moc na idealnym oporniku jest proporcjonalna do tej wielkości, więc zachowana część wynosi 3,73222/4 ≈ 0,933056, czyli 93,3056%. W mianowniku używamy pełnego średniego kwadratu, nie amplitudy 2 V.
2. Z różnicy kwadratów otrzymujemy błąd skuteczny
Błąd e(t) = u(t) − u₅(t) składa się z harmonicznych 7, 9 i dalszych nieparzystych. Są one ortogonalne do trzech zachowanych. Dlatego:
e_{sk}=\sqrt{4-3{,}73222}\,\mathrm{V}\approx0{,}51747\,\mathrm{V}.
W dokładnym rachunku zachowujemy więcej cyfr przed pierwiastkiem. Względny błąd skuteczny to esk/2 V ≈ 25,8736%. Nie jest równy brakującym 6,6944% mocy: jest pierwiastkiem z brakującego udziału średniego kwadratu.
3. Rozróżniamy błąd średni i punktowy
Przy t = 0 przybliżenie jest równe zero; po obu stronach skoku przebieg ma wartości zbliżające się do ±2 V. W pobliżu skoków pozostają oscylacje i przeregulowanie. Dodawanie harmonicznych może skupiać duży błąd w coraz węższym obszarze, zmniejszając jego całkę po okresie.
Wynik: średni kwadrat 3,73222 V², zachowana moc 93,3056%, błąd skuteczny około 0,51747 V. Udział mocy nie jest ograniczeniem błędu w każdej chwili ani gwarancją wiernego odtworzenia skoków.
Powiązana teoria
Ortogonalność i twierdzenie Parsevala: wartość skuteczna oraz moc
Dalsza lektura
Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »
← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto