1 / 7

Aufgabenstellung:

Ein rechteckförmiger Wechselstrom hat den im Bild dargestellten zeitlichen Verlauf mit . Die Periodendauer beträgt .

Abbildung

Abbildung: Beispiel für den zeitlichen Verlauf eines rechteckförmigen Wechselstromes


Es ist die Fourier-Reihe der Funktion bis einschließlich der Ordnungszahl zu ermitteln.

Lösungsweg:

Drücke auf "Aufdecken" um dir den ersten Schritt der Lösung anzuzeigen

Die gegebene Funktion lässt sich - so wie jede andere nichtsinusförmige periodische Funktion - in eine Fourier-Reihe von der Form

zerlegen. Das bedeutet, dass die gegebene Funktion durch eine Summe von Sinusund Kosinusschwingungen (und einer Konstanten ) dargestellt werden kann. Die dabei auftretende Schwingung mit der kleinsten Kreisfrequenz heißt Grundschwingung. Im vorliegenden Fall hat diese Kreisfrequenz den Wert

Alle anderen auftretenden Schwingungen haben Kreisfrequenzen, die ganzzahlige Vielfache von sind. Man nennt diese Schwingungen Oberschwingungen.
Die in der oben dargestellten Fourier-Reihe enthaltenen Konstanten und lassen sich (allgemein) durch die Gleichungen

bestimmen. Hierin bezeichnet man und als Fourierkoeffizienten. Die Konstante stellt den zeitlichen Mittelwert (Gleichanteil) der Funktion dar. Im vorliegenden Fall (Bild) schließen die positive und die negative Halbschwingung die gleiche Fläche ein. Das bedeutet, dass ist. Weiterhin handelt es sich bei dem gegebenen Stromverlauf um eine ungerade Funktion, also um eine Funktion, bei der ist. Solche Funktionen enthalten keine Kosinusschwingungen, so dass wird. Es treten somit lediglich Sinusschwingungen auf. Deren Frequenzen und Scheitelwerte lassen durch die Bestimmung von mit Hilfe der oben angegebenen Gleichung

ermitteln. Die im Bild dargestellte (gegebene) Funktion kann abschnittsweise angegeben werden. So lautet die Funktion im Bereich :

und im Bereich :

Damit wird

Ersetzen wir - zur Vereinfachung der nachfolgend durchzuführenden Integration
- die Integrationsvariable durch die Variable und damit auch die Periodendauer durch den Ausdruck so finden wir

Mit ergibt sich

Nach Ausführung der Integration und dem Einsetzen der Grenzen erhalten wir

Setzen wir hierin für gerade Werte ein, so wird Das bedeutet, dass die gegebene Funktion keine Sinusschwingungen (Harmonische) mit rader Ordnungszahl enthält. Setzen wir für ungerade Werte ein, so finden wir die gesuchte Fourier-Reihe (in allgemeiner Form) als

Mit wird daraus

Lösung: