background image

 

- 1 - 

5.  OBWODY PR

Ą

DU HARMONICZNEGO 

 

5.1. SYGNAŁY HARMONICZNE 

W grupie przebiegów okresowych szczególne znaczenie mają sygnały 

harmoniczne, tzn. cosinusoidalne i sinusoidalne. Ponieważ jednak 

(

)

t

t

ω

π

ω

cos

2

sin

=

+

nazwiemy je ogólnie sinusoidalnymi (sinusoidalnie-zmiennymi). 
 

Sygnałami harmonicznymi nazywamy sygnały, których przebieg 

jest sinusoidalną funkcją czasu 

 

Załóżmy, że rozpatrujemy sygnał sinusoidalny w postaci napięcia: 

 
 

( )

(

)

u

m

t

U

t

u

Ψ

ω

+

=

sin

 

(5.1) 

0

u

Ψ

u t

( )

U

m

T/2

T

π

t

ω

t

 

W  czasie  odpowia-
daj
ącym 

jednemu 

okresowi  faza  na-
pi
ęcia zmienia się o 
2

π

,  tzn. 

π

ω

2

=

T

Na  rys.  na  osi  od-
ci
ętych  oznaczono 
skal
ę  czasu  i  skalę 
k
ątową

 

gdzie:  u(t

-  wartość chwilowa napięcia; 

 

U

m

 

-  wartość maksymalna napięcia (nazywana amplitudą); 

 

u

Ψ

 

-  początkowy  kąt  fazowy,  faza  początkowa  napięcia  w 

chwili t = 0; 

 

u

t

Ψ

ω

+

  -  kąt fazowy, faza napięcia w chwili t

 

ω

 =2

π

 f  -  pulsacja (częstotliwość kątowa) mierzona w rad/s; 

 

f =1/

-  częstotliwość  mierzona  w  Hz,  będąca  odwrotnością 

okresu. 

 

background image

 

- 2 - 

 

Wartość średnia (półokresowa) napięcia sinusoidalnego wynosi 

 

( )

m

m

T

m

T

ś

r

U

U

dt

t

U

T

dt

t

u

T

U

637

,

0

2

sin

2

2

2

/

0

2

/

0

=

=

=

π

ω

 

(5.2) 

 

Wartość skuteczna napięcia sinusoidalnego jest równa  

 

( )

m

m

T

m

T

U

U

dt

t

U

T

dt

t

u

T

U

707

,

0

2

sin

1

1

0

2

2

0

2

=

=

=

ω

 

(5.3) 

 
Oznacza  to,  że  równanie  opisujące  napięcie  harmoniczne  możemy  przed-
stawić jako 
 

 

( )

(

)

(

)

u

u

m

t

U

t

U

t

u

Ψ

ω

Ψ

ω

+

=

+

=

sin

2

sin

 

(5.4) 

 
 

background image

 

- 3 - 

5.2. SYGNAŁ WYKŁADNICZY 

Funkcja wykładnicza pełni wyjątkową rolę, ponieważ 

 

każdy sygnał występujący w praktyce  może być zawsze wyrażony 

w postaci sumy funkcji wykładniczych; 

 

w  przypadku  obwodów  liniowych  odpowiedź  obwodu  na  wymu-
szenie wykładnicze jest także wykładnicza. 

 

Przyjmijmy, że sygnał wykładniczy ma postać: 

 

 

(

)

+∞

=

,

)

(

t

e

A

t

x

t

s

dla

 

(5.5) 

Współczynnik s występujący w wykładniku jest zespolony 

 

ω

σ

j

s

+

=

 

(5.6) 

a zatem 

(

)

t

j

t

t

j

e

e

A

e

A

t

x

ω

σ

ω

σ

=

=

+

)

(

 

(5.7) 

 

Rozpatrzmy szczególne przypadki w zależności od wartości s

 

1. 

Jeżeli s jest liczbą rzeczywistą (tzn. 

ω

 = 0) wtedy 

t

e

A

t

x

σ

=

)

(

 

i ma charakter zależny od wartości 

σ

  

a)

 

gdy 

σ

 < 0, sygnał x(t) ma charakter 

monotonicznie  malejącej  funkcji 
czasu; 

b)

 

gdy 

σ

 = 0, sygnał x(t) jest sygnałem 

stałym o wartości A

c)

 

gdy 

σ

 > 0, sygnał x(t) ma charakter 

monotonicznie 

rosnącej 

funkcji 

czasu. 

0

x t

( )

t

A

σ

   0

>

σ

   0

<

σ

 = 0

 

 

background image

 

- 4 - 

2.  Jeżeli s jest liczbą urojoną (tzn. 

σ

=0) wtedy 

t

j

e

A

t

x

ω

=

)

(

 

sygnał  x(t)  może  być  interpretowany  na  płaszczyźnie  zmiennej  ze-
spolonej za pomocą tzw. 

wektora wirującego 

obracającego  się  z  prędkością  kątową 

ω

 

w kierunku przeciwnym do ruchu wska-
zówek zegara. Położenie tego wektora na 
płaszczyźnie  w  danej  chwili  t  określone 
jest za pomocą kąta 

ω

t

Czynnik 

t

j

e

ω

  spełnia rolę 

operatora 

obrotu

natomiast 

A

 jest 

modułem wektora

0

t

 

= 0

 

A

ω

t

ω

A

j

t

ω

Re

Im

 

 

Uwzględniając wzór Eulera 

 

t

j

t

e

j

ω

ω

ω

sin

cos

+

=

 

(5.8) 

można wektor wirujący wyrazić za pomocą dwóch składowych 

 

( )

t

A

j

t

A

e

A

t

x

j

ω

ω

ω

sin

cos

+

=

=

 

(5.9) 

Część  rzeczywista  wektora  wirującego  przedstawia  sygnał  o  charakterze 
cosinusoidalnym  

 

[

]

t

A

e

A

t

j

ω

ω

cos

Re

=

 

(5.10) 

Część urojona wektora wirującego przedstawia sygnał o charakterze sinu-
soidalnym 

 

[

]

t

A

e

A

t

j

ω

ω

sin

Im

=

 

(5.11) 

Wynika  stąd,  że  najczęściej  spotykane  przebiegi  wielkości  elektrycznych 
stanowią szczególne przypadki sygnału o charakterze wykładniczym. 

 

background image

 

- 5 - 

5.3. OPIS SYMBOLICZNY SYGNAŁU HARMONICZNEGO 

 

Rozpatrzmy ponownie sygnał sinusoidalny w postaci napięcia (5.1): 

 

( )

(

)

u

m

t

U

t

u

Ψ

ω

+

=

sin

 

 

Związek  pomiędzy  wektorem  wirującym  na  płaszczyźnie  zmiennej 

zespolonej a rozpatrywanym sygnałem sinusoidalnym przedstawia rys. 
 

0

ω

Re

Im

0

u

Ψ

u t

( )

U

m

T

t

ω

t

U

m

u

Ψ

u(0)

u(0)

 

 

Wartość chwilowa napięcia w chwili t = 0 wynosi 

 

( )

u

m

U

u

Ψ

sin

0

=

 

(5.12) 

W chwili tej wektor wirujący o amplitudzie U

m

 jest nachylony względem 

osi liczb rzeczywistych pod kątem 

u

Ψ

. Rzut tego wektora na oś liczb uro-

jonych wynosi u(0), czyli 

warto

ść chwilowa sygnału sinusoidalnego jest 

równa rzutowi wektora wiruj

ącego na oś liczb urojonych. 

 
Analitycznie można to ująć, zgodnie z zależnością (5.11), następująco:  
dla każdej chwili t 

 

( )

(

)

(

)

[

]

( )

[ ]

t

u

e

U

t

U

t

u

u

t

j

m

u

m

Im

Im

sin

=

=

+

=

+

Ψ

ω

Ψ

ω

 

(5.13) 

 

background image

 

- 6 - 

Sygnał sinusoidalny: 

 

   

( )

(

)

(

)

u

u

m

t

U

t

U

t

u

Ψ

ω

Ψ

ω

+

=

+

=

sin

2

sin

 

 

 
 
 
 
 
posiada nast

ępującą 

POSTA

Ć SYMBOLICZNĄ (symboliczną wartość chwilową): 

 

   

(

)

t

j

j

t

j

j

m

t

j

m

e

e

U

e

e

U

e

U

t

u

u

u

u

ω

Ψ

ω

Ψ

Ψ

ω

3

2

1

4

3

4

2

1

2

)

(

=

=

=

+

 

(5.14) 

 
 
 
 
 
 
Czyli: 

 

(

)

t

j

t

j

m

t

j

m

e

U

e

U

e

U

t

u

u

ω

ω

Ψ

ω

2

)

(

=

=

=

+

 

(5.15) 

 
UWAGI: 

 

( ) ( )

( ) ( )

t

u

t

u

t

u

t

u

=

ˆ

ć

o

ś

odpowiedni

tylko

ć

równo

ś

zachodzi

nie

 

 

natomiast: 

( ) ( )

( )

( )

[ ]

t

u

j

t

u

t

u

t

u

Im

2

*

=

=

 

(5.16) 

 

Metoda symboliczna zapisu przebiegów sinusoidalnych pozwala 
traktowa

ć je jako przebiegi wykładnicze. 

 
 
 
 
 
 

(rzeczywista) 

wartość chwilowa

 

amplituda 

(wartość max.)

 

wartość skuteczna 

U

U

 

symboliczna amplituda 

/postać zespolona amplitudy/ 

/wskaz amplitudy/

 

symboliczna wartość skuteczna  

/wskaz wartości skutecznej/

 

background image

 

- 7 - 

 
 

LICZBY ZESPOLONE 

 
Postać algebraiczna: 

jb

a

r

+

=

 

Postać trygonometryczna: 

)

sin

(cos

ϕ

ϕ

j

r

r

+

=

 

Postać wykładnicza: 

ϕ

j

e

r

r

=

 

 

Moduł: 

 

2

2

b

a

r

+

=

 

Argument: 

=

r

a

arc cos

ϕ

=

r

b

arcsin

ϕ

 

lub, gdy 



=

=<

=

=

=

>

a

b

tg

arc

b

sign

to

a

b

sign

to

a

a

b

tg

arc

to

a

π

ϕ

π

ϕ

ϕ

0

2

0

0