Laplace-Transformation: Grundlagen, Eigenschaften und Anwendungen in elektrischen Netzwerken

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Laplace-Transformation: Grundlagen und Anwendungen

Definition der Laplace-Transformation

Die Laplace-Transformierte F(s) einer Originalfunktion f(t) ist definiert als:

F(s) = ∫0∞ f(t) e-st dt = L[f(t)]

Die Funktion f(t) muss dabei folgende Bedingungen erfüllen: Für t < 0 gilt f(t) = 0, und f(t) ist stückweise stetig sowie von exponentieller Ordnung, d.h. |f(t)| < M·eat.

Grundlegende Eigenschaften und Sätze

Linearität

Die Laplace-Transformation ist linear: L[a·f(t) + b·g(t)] = a·F(s) + b·G(s).

Ähnlichkeitssatz

Für a > 0 gilt: L[f(at)] = (1/a)·F(s/a).

Verschiebungssatz (Zeitverschiebung)

Ist f(t) kausal, so gilt: L[f(t − T)·σ(t − T)] = e-sT·F(s).

Dämpfungssatz (Frequenzverschiebung)

L[e-at·f(t)] = F(s + a).

Faltungssatz

L[f(t) * g(t)] = F(s)·G(s), wobei * die Faltung bezeichnet.

Differentiationssatz

L[f'(t)] = s·F(s) − f(0+).

Integrationssatz

L[∫0t f(τ) dτ] = F(s)/s.

Anfangs- und Endwertsatz

Anfangswertsatz: limt→0+ f(t) = lims→∞ s·F(s).

Endwertsatz: limt→∞ f(t) = lims→0 s·F(s), sofern alle Pole von s·F(s) in der linken Halbebene liegen.

Wichtige Laplace-Transformierte

  • Heaviside-Funktion (Sprungfunktion): L[σ(t)] = 1/s
  • Dirac-Impuls: L[δ(t)] = 1
  • Exponentialfunktion: L[e-at] = 1/(s + a)

Anwendung in elektrischen Netzwerken

Im Bildbereich lassen sich die Netzwerkgleichungen algebraisieren. Für ein Bauelement gilt:

  • Widerstand: U(s) = R·I(s)
  • Spule: U(s) = sL·I(s) − L·i(0+)
  • Kondensator: I(s) = sC·U(s) − C·u(0+)

Maschenstromanalyse im Bildbereich

Die Maschenstromgleichungen lassen sich in Matrixform darstellen:

[Z(s)]·[J(s)] = [V_G(s)]

Dabei ist [Z(s)] die Impedanzmatrix der Maschen, [J(s)] der Vektor der Maschenströme und [V_G(s)] der Vektor der Ersatzspannungsquellen.

Knotenspannungsanalyse im Bildbereich

[Y_n(s)]·[V(s)] = [J_G(s)]

Dabei ist [Y_n(s)] = [Q]·[Y(s)]·[Q]T die Knotenadmittanzmatrix, [V(s)] der Vektor der Knotenspannungen und [J_G(s)] der Vektor der Ersatzstromquellen.

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