Elektros grandinių teorija 2: kintamosios srovės grandinės: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 16 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniaiAtgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Kompleksiniai skaičiai

Algebrinė forma
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Modulis ir argumentas
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Polinė ir rodiklinė forma
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Dalyba
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Sandauga ir dalmuo
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
Muavras
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
n-tojo laipsnio šaknys
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Kvadratinė lygtis, kai p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Metodas

  1. Nuspręskite, kokia forma tinka veiksmui: algebrinė a + jb sudėčiai ir atimčiai, polinė r∠θ daugybai, dalybai, laipsniams ir šaknims.
  2. Dauginkite išskleisdami su j² = −1; dalykite padaugindami skaitiklį ir vardiklį iš vardiklio jungtinio.
  3. Konvertuokite pagal r = √(a² + b²) ir θ iš taško (a, b) brėžinio (patikrinkite ketvirtį), o atgal – pagal a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Laipsniams naudokite Muavro formulę, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; zⁿ = R∠φ išvardykite visas n šaknų R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriai

Pilnutinės varžos
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Kampinis dažnis
ω = 2πf
Modulis ir kampas
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Omo dėsnis fazoriams
V = I·Z

Metodas

  1. Perskaičiuokite dažnį: ω = 2πf.
  2. Raskite kiekvieną reaktansą: XL = ωL ir XC = 1/(ωC).
  3. Impedansus sudėkite kaip rezistorius, kai Z = R + jX.
  4. Raskite modulį |Z| = √(R² + X²) ir kampą φ = atan(X/R), tada taikykite Omo dėsnį fazoriams.

Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Aktyvioji galia
P = V·I·cos φ
Reaktyvioji galia
Q = V·I·sin φ
Pilnutinė galia
S = V·I = √(P² + Q²)
Galios koeficientas
pf = cos φ = P/S
Kompensacinis kondensatorius
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

LC rezonansas, kokybės faktorius ir juostos plotis

Savasis dažnis
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Energija
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Didžiausia srovė
Imax = V0√(C/L)
Kokybės faktorius
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
Nuoseklusis RLC
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
Lygiagretusis RLC
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Juostos plotis
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Pusinės galios dažniai
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Virpesių kontūras su ritės varža r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Amplitudės slopimas
e−Rt/(2L)

Metodas

  1. Pirmiausia raskite rezonansinį dažnį: ω₀ = 1/√(LC) ir f₀ = ω₀/(2π).
  2. Nuspręskite, ar grandinė nuosekliojo, ar lygiagrečiojo jungimo: nuosekliojo Q = (1/R)√(L/C), lygiagrečiojo Q = R√(C/L).
  3. Juostos plotį skaičiuokite BW = f₀/Q arba trumpesnėmis formulėmis R/(2πL) (nuoseklusis) ir 1/(2πRC) (lygiagretusis).
  4. Energijos uždaviniuose naudokite tai, kad idealioje LC grandinėje visa energija ½CV₀² išlieka pastovi ir kas ketvirtį periodo persikelia tarp C ir L.

Trifazė galia

Žvaigždės (Y) jungimas
VL = √3·Vph, IL = Iph
Trikampio (Δ) jungimas
VL = Vph, IL = √3·Iph
Bendra aktyvioji galia
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Pilnutinė ir reaktyvioji galia
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kompensavimo kondensatoriai
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Įtampa ant kiekvieno kondensatoriaus
Δ: VL Y: VL/√3
Variklio naudojama galia
Pin = Pout/η

RC ir RL pereinamieji procesai

Laiko konstanta
τ = RC | τ = L/R
Atsakas
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Kondensatorius esant nuolatinei srovei
atvira grandinė; vC negali kisti šuoliu
Ritė esant nuolatinei srovei
trumpasis jungimas; iL negali kisti šuoliu
Nusistovėjęs režimas
t ≈ 5τ

Metodas

  1. Raskite pradinę vertę iškart po perjungimo: kondensatoriaus įtampa ir ritės srovė negali kisti šuoliu.
  2. Raskite galutinę vertę praėjus ilgam laikui po perjungimo: kondensatorius veikia kaip atvira grandinė, ritė – kaip trumpasis jungimas.
  3. Raskite laiko konstantą: τ = RC arba τ = L/R, naudodami varžą, kurią „mato“ kondensatorius ar ritė.
  4. Naudokite x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Teveninas ir Nortonas

Tevenino įtampa
Vth = Vopen circuit
Tevenino varža
Rth: visi šaltiniai išjungti, žiūrint iš a–b
Nortono srovė
IN = Vth/Rth
Apkrovos srovė
IL = Vth/(Rth + RL)
Didžiausios galios perdavimas
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Metodas

  1. Atjunkite apkrovą ir pažymėkite abu gnybtus a ir b.
  2. Raskite tuščiosios veikos įtampą tarp a ir b: tai Vth.
  3. Išjunkite visus nepriklausomus šaltinius ir raskite varžą, matomą iš a–b: tai Rth.
  4. Grąžinkite apkrovą į ekvivalentinę grandinę: Vth nuosekliai su Rth.
  5. Nortono ekvivalentui perskaičiuokite: IN = Vth/Rth, o RN = Rth lygiagrečiai.

2Uždaviniai

1.Kompleksiniai skaičiaiVidutinis
ReIm55−5−5θz

Raskite z = −6 + j7 argumentą θ laipsniais, kaip pagrindinę reikšmę tarp −180° ir 180°.

z = −6 + j7
θ = °
2.Kompleksiniai skaičiaiSunkus
ReIm11−1−122−2−2ABCD

Lygiai vienas iš taškų A–D yra lygties z⁴ = 16∠60° šaknis. Spustelėkite jį.

w = 16∠60°n = 4
  1. 1A (1∠−75°)
  2. 2B (2∠−75°)
  3. 3C (2∠−30°)
  4. 4D (2∠75°)
3.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriaiVidutinis
120 V60 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Nuosekli RLC grandinė prijungta prie 120 V (efektinė), 60 Hz maitinimo. Raskite efektinę srovę I.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
4.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriaiSunkus
230 V100 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 22 µF

Nuosekli RLC grandinė prijungta prie 230 V (efektinė), 100 Hz maitinimo. Raskite grandinės rezonansinį dažnį f0.

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 22 µF
f0 = Hz
5.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientasVidutinis
P = 23 kWQ = ?Sφ

Vienfazis variklis iš 400 V tinklo ima 23 kW, kai galios koeficientas 0,6 (induktyvus). Raskite jo naudojamą reaktyviąją galią Q.

P = 23 kWpf = 0,6V = 400 V
Q = kvar
6.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientasSunkus
230 V50 Hzapkrova10 kW, 0,65C330 µFI = ?

Vienfazė apkrova iš 230 V, 50 Hz tinklo ima 10 kW, kai galios koeficientas 0,65 (induktyvus). Lygiagrečiai apkrovai prijungiamas 330 µF kondensatorius. Raskite naują linijos srovę I.

P = 10 kWpf1 = 0,65V = 230 Vf = 50 HzC = 330 µF
I = A
7.LC rezonansas, kokybės faktorius ir juostos plotisVidutinis
C = 2,2 µF+−2,25 VL = 10 µHiL​

2,2 µF kondensatorius, įkrautas iki 9 V, virpa su idealia 10 µH induktyvumo ritė. Raskite energiją WL, sukauptą induktyvumo ritėje tuo momentu, kai kondensatoriaus įtampa yra 2,25 V, vienetais µJ.

C = 2,2 µFV0 = 9 VvC = 2,25 V
WL = µJ
8.LC rezonansas, kokybės faktorius ir juostos plotisSunkus
f|I|0,7071f0​ = ?900 kHz1,35 MHzBW

Rezonanso kreivės pusinės galios dažniai yra 900 kHz ir 1,35 MHz. Raskite rezonansinį dažnį kaip jų geometrinį vidurkį, o paskui kokybės faktorių Q.

f1 = 900 kHzf2 = 1,35 MHz
Q =
9.Trifazė galiaVidutinis
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M11 kW, η = 88%cos φ = 0,84

Trifazis asinchroninis variklis esant vardinei apkrovai tiekia 11 kW mechaninės galios. Esant šiai apkrovai jo naudingumo koeficientas 88%, o galios koeficientas 0,84 (induktyvus). Tinklo linijinė įtampa 480 V. Raskite linijinę srovę IL.

Pout = 11 kWη = 88%cos φ = 0,84VL = 480 V
IL = A
10.Trifazė galiaSunkus
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Simetrinė trifazė apkrova iš 415 V (linijinė įtampa), 50 Hz tinklo ima 150 kW, kai galios koeficientas 0,8 (induktyvus). Lygiagrečiai apkrovai prijungta trifazė kondensatorių baterija turi padidinti bendrą galios koeficientą iki 0,98 (induktyvus). Aktyvioji galia nekinta. Raskite bendrą reaktyviąją galią QC, kurią turi tiekti kondensatorių baterija, kvar.

P = 150 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.RC ir RL pereinamieji procesaiVidutinis
+−Vs​20 Vt = 0R = 10 ΩL100 mHi(t)

Kol jungiklis neužsidarė momentu t = 0, rite srovė neteka. Raskite ritėje sukauptą energiją W momentu t = 5 ms, mJ.

Vs = 20 VR = 10 ΩL = 100 mHt = 5 ms
W = mJ
12.RC ir RL pereinamieji procesaiSunkus
+−Vs​10 Vt = 0R = 4,7 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

Prieš pat jungiklio užsidarymą momentu t = 0 kondensatoriaus įtampa yra 6 V su pažymėtu poliškumu. Per kiek laiko vC pasieks 7,6 V? Raskite t.

Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 100 µFvC(0) = 6 V
t = ms
13.Teveninas ir NortonasVidutinis
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab

Raskite Tevenino varžą Rth, matomą iš gnybtų a–b.

V1 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
14.Teveninas ir NortonasSunkus
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAIs​6 ABRL​20 ΩIL​

Prie a–b prijungta apkrova RL = 20 Ω. Likusią grandinės dalį pakeiskite Tevenino ekvivalentu ir raskite apkrovos srovę IL.

V1 = 10 VIs = 6 AR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩRL = 20 Ω
IL = A
15.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
vin​C = 100 nFR = 22 kΩvout​

Parodytas RC aukštųjų dažnių filtras turi R = 22 kΩ, C = 100 nF. Taikoma sinusinė įvestis 18 Hz. Raskite vout fazės poslinkį φ vin atžvilgiu laipsniais.

R = 22 kΩC = 100 nFf = 18 Hz
φ = °
16.Bode grafikai ir atsargosSunkus
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 540/(s(s + 6)(s + 10)). Raskite fazės kirtimo dažnį ω180, kai ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 540/(s(s + 6)(s + 10))
ω180 = rad/s

3Tirpalai

1.Kompleksiniai skaičiai

Atsakymas: θ = 130,6 °

Polinė forma: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, kur r = |z| ir θ = arg z. Atgal į algebrinę formą: a = r cos θ, b = r sin θ. Argumentui reikia ketvirčio: θ = atan(b/a) tik kai a > 0; kai a < 0, pridėkite arba atimkite 180°. Polinėje formoje daugyba paprasta: modulius sudauginkite ir argumentus sudėkite; dalydami modulius padalykite, o argumentus atimkite.

Ketvirtis

a = −6, b = 7 → II

Atskaitos kampas

α = atan(7/6) = 49,4°

Argumentas

θ = 180° − α = 130,6°

Atsakymas

θ = 130,6°

Polinė forma z = 9,22∠130,6°.

2.Kompleksiniai skaičiai

Atsakymas: B (2∠−75°)

Muavro formulė ir šaknys: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. Lygtis zⁿ = R∠φ turi lygiai n šaknų, visų modulis R1/n, o argumentai (φ + 360°·k)/n, kai k = 0, 1, …, n − 1: jos tolygiai išsidėsčiusios apskritime, 360°/n atstumu viena nuo kitos. Kvadratinė lygtis z² + pz + q = 0, kai p² < 4q, turi kompleksines šaknis z = −p/2 ± j√(q − p²/4); daugianaris su realiais koeficientais kompleksines šaknis visada turi jungtinėmis poromis a ± jb.

Šaknų modulis ir argumentai

|z| = 2
θ = 15°, 105°, −165°, −75°

Taškas

B = 2∠−75°

Atsakymas

B (2∠−75°)
3.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriai

Atsakymas: I = 1,907 A

Kintamosios srovės grandinės ir fazoriai: rezistorių, ričių ir kondensatorių pilnutinės varžos yra R, jωL ir 1/(jωC), kur ω = 2πf. Nuosekliai pilnutinės varžos sumuojamos kaip varžos, tik kompleksiniais skaičiais. Efektinės srovė ir įtampa tenkina Omo dėsnį su |Z|.

Reaktyviosios varžos

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,02 = 7,54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Pilnutinė varža

Nuosekliai pilnutinės varžos sudedamos kaip kompleksiniai skaičiai: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−18,99)²) = 62,93 Ω

Srovė

Visais nuoseklios grandinės elementais teka ta pati srovė.

I = V/|Z| = 120/62,93 = 1,907 A

Atsakymas

I = 1,907 A
4.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriai

Atsakymas: f0 = 151,7 Hz

Kintamosios srovės grandinės ir fazoriai: rezistorių, ričių ir kondensatorių pilnutinės varžos yra R, jωL ir 1/(jωC), kur ω = 2πf. Nuosekliai pilnutinės varžos sumuojamos kaip varžos, tik kompleksiniais skaičiais. Efektinės srovė ir įtampa tenkina Omo dėsnį su |Z|.

Rezonansas

Rezonanso metu induktyvioji ir talpinė reaktyviosios varžos susiprastina: ωL = 1/(ωC). Maitinimo dažnis nesvarbus.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,05·22·10⁻⁶)) = 151,7 Hz

Atsakymas

f0 = 151,7 Hz
5.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Atsakymas: Q = 30,67 kvar

Kintamosios srovės galia: pilnutinė galia S = V·I (VA) skyla į aktyviąją galią P = S·cos φ (W), atliekančią naudingą darbą, ir reaktyviąją galią Q = S·sin φ (var), kuri svyruoja tarp šaltinio ir apkrovos. Galios koeficientas yra cos φ. Lygiagretus kondensatorius reaktyviąją galią tiekia vietoje, todėl esant tai pačiai aktyviajai galiai linijos srovė sumažėja.

Kampas

φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333

Reaktyvioji galia

Q = P·tan φ = 23·1,333 = 30,67 kvar

Atsakymas

Q = 30,67 kvar
6.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Atsakymas: I = 51,17 A

Kintamosios srovės galia: pilnutinė galia S = V·I (VA) skyla į aktyviąją galią P = S·cos φ (W), atliekančią naudingą darbą, ir reaktyviąją galią Q = S·sin φ (var), kuri svyruoja tarp šaltinio ir apkrovos. Galios koeficientas yra cos φ. Lygiagretus kondensatorius reaktyviąją galią tiekia vietoje, todėl esant tai pačiai aktyviajai galiai linijos srovė sumažėja.

Reaktyvioji galia prieš ir po

Aktyvioji galia P nesikeičia; keičiasi tik iš tinklo imama reaktyvioji galia.

Q1 = 10·tan(arccos 0,65) = 11,69 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·330·10⁻⁶ = 5484 var = 5,484 kvar
Q2 = 11,69 − 5,484 = 6,207 kvar

Nauja pilnutinė galia

S2 = √(10² + 6,207²) = 11,77 kVA

Nauja linijos srovė

I = S2/V = 11770/230 = 51,17 A

Atsakymas

I = 51,17 A
7.LC rezonansas, kokybės faktorius ir juostos plotis

Atsakymas: WL = 83,53 µJ

LC rezonansas: įkrautas kondensatorius, prijungtas prie induktyvumo ritės, varo srovę, kuri jį įkrauna priešinga kryptimi: energija svyruoja tarp C elektrinio lauko (½Cv²) ir L magnetinio lauko (½Li²) savuoju dažniu f0 = 1/(2π√(LC)). Be varžos visa energija ½CV0² išlieka pastovi, todėl didžiausia srovė yra Imax = V0√(C/L). Vienas periodas yra T = 1/f0; energija iš C į L pereina per ketvirtį jo.

Visa energija

½·2,2 × 10⁻⁶·9² = 8,91 × 10⁻⁵ J

Kondensatoriuje likusi energija

½·2,2 × 10⁻⁶·2,25² = 5,569 × 10⁻⁶ J

Energija induktyvumo ritėje

WL = 8,353 × 10⁻⁵ J = 83,53 µJ

Atsakymas

WL = 83,53 µJ
8.LC rezonansas, kokybės faktorius ir juostos plotis

Atsakymas: Q = 2,449

Kokybės faktorius ir juostos plotis: rezonansinėje grandinėje Q = 2π·(sukaupta energija)/(per ciklą prarasta energija). Nuosekliajam RLC Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); lygiagrečiajam RLC Q = R/(ω0L) = R√(C/L). Juostos plotis tarp pusinės galios dažnių f1 ir f2 (kuriuos esant galia yra perpus mažesnė, o srovė ar įtampa – 1/√2 didžiausios vertės) yra BW = f2 − f1 = f0/Q, t. y. R/(2πL) nuosekliajame ir 1/(2πRC) lygiagrečiajame jungime. Rezonansinis dažnis yra geometrinis vidurkis f0 = √(f1f2), o f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Nuostoliai taip pat slopina virpesius: nuosekliajame RLC amplitudė mažėja kaip e−Rt/(2L).

Rezonansinis dažnis

f0 = √(900000·1,35 × 10⁶) = 1,102 × 10⁶ Hz

Juostos plotis

BW = 1,35 × 10⁶ − 900000 = 450000 Hz

Kokybės faktorius

Q = 1,102 × 10⁶/450000 = 2,449

Atsakymas

Q = 2,449
9.Trifazė galia

Atsakymas: IL = 17,9 A

Simetrinės trifazės sistemos: jungiant žvaigžde (Y) linijinė įtampa √3 karto didesnė už fazinę, VL = √3·Vph, o linijinė srovė lygi fazinei. Jungiant trikampiu (Δ) linijinė įtampa lygi fazinei, o linijinė srovė √3 karto didesnė už fazinę, IL = √3·Iph. Bendra galia tris kartus didesnė už vienos fazės galią: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Naudojama elektrinė galia

Pin = Pout/η = 11/0,88 = 12,5 kW

Linijos srovė

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 12500/(√3·480·0,84) = 17,9 A

Atsakymas

IL = 17,9 A
10.Trifazė galia

Atsakymas: QC = 82,04 kvar

Simetrinės trifazės sistemos: jungiant žvaigžde (Y) linijinė įtampa √3 karto didesnė už fazinę, VL = √3·Vph, o linijinė srovė lygi fazinei. Jungiant trikampiu (Δ) linijinė įtampa lygi fazinei, o linijinė srovė √3 karto didesnė už fazinę, IL = √3·Iph. Bendra galia tris kartus didesnė už vienos fazės galią: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Galios koeficiento gerinimas: kondensatoriai reaktyviąją galią tiekia vietoje, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Kiekvienas iš trijų kondensatorių tiekia QC/3 = V²·ω·C, kur V – įtampa ant to kondensatoriaus: trikampiu sujungtoje baterijoje VL, žvaigžde sujungtoje – VL/√3.

Reaktyvioji galia prieš ir po

Aktyvioji galia nekinta, todėl kiekvienas galios koeficientas nulemia reaktyviąją galią: Q = P·tan φ.

Q1 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar

Kondensatorių tiekiama reaktyvioji galia

QC = Q1 − Q2 = 82,04 kvar

Atsakymas

QC = 82,04 kvar
11.RC ir RL pereinamieji procesai

Atsakymas: W = 30,96 mJ

Pirmos eilės pereinamieji procesai: grandinėje su vienu kondensatoriumi arba viena rite kiekviena įtampa ir srovė eksponentiškai kinta nuo pradinės iki galutinės vertės: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, kur τ = RC arba τ = L/R. Po maždaug 5τ grandinė nusistovi.

Laiko konstanta ir galutinė srovė

Ilgai po jungiklio užsidarymo ritė elgiasi kaip trumpasis jungimas, todėl galutinę srovę lemia tik R.

τ = L/R = 100 mH / 10 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 20/10 = 2 A

Srovė duotuoju momentu

i(t) = 2·(1 − e−5/10) = 0,7869 A

Sukaupta energija

W = ½·L·i² = ½·100·0,7869² = 30,96 mJ

Atsakymas

W = 30,96 mJ
12.RC ir RL pereinamieji procesai

Atsakymas: t = 240,1 ms

Pirmos eilės pereinamieji procesai: grandinėje su vienu kondensatoriumi arba viena rite kiekviena įtampa ir srovė eksponentiškai kinta nuo pradinės iki galutinės vertės: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, kur τ = RC arba τ = L/R. Po maždaug 5τ grandinė nusistovi.

Pradinė vertė, galutinė vertė, laiko konstanta

Kondensatoriaus įtampa negali pasikeisti šuoliu, todėl ji pradeda nuo sukauptos vertės ir artėja prie šaltinio įtampos.

vC(0) = 6 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 100 µF = 470 ms
vC(t) = 10 + (6 − 10)·e−t/τ

Išreiškite laiką

7,6 = 10 + (−4)·e−t/τ → e−t/τ = (7,6 − 10)/(6 − 10) = 0,6
t = τ·ln((6 − 10)/(7,6 − 10)) = 470·ln(1,667) = 240,1 ms

Atsakymas

t = 240,1 ms
13.Teveninas ir Nortonas

Atsakymas: Rth = 19 Ω

Tevenino teorema: bet kuris tiesinis dvipolis tinklas elgiasi kaip vienas įtampos šaltinis Vth, nuosekliai sujungtas su varža Rth. Nortono teorema tą patį tinklą pateikia kaip srovės šaltinį IN = Vth/Rth, lygiagretų su Rth.

R1​ = 5 ΩR3​ = 15 ΩTRUMPAS JUNGIMASR2​20 ΩAabRth​

Raskite Rth, išjungę visus šaltinius

Įtampos šaltinius pakeiskite trumpaisiais jungimais, srovės šaltinius – atvira grandine, tada žiūrėkite į grandinę iš a–b.

R1 ∥ R2 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 15 = 19 Ω
14.Teveninas ir Nortonas

Atsakymas: IL = 1,851 A

Tevenino teorema: bet kuris tiesinis dvipolis tinklas elgiasi kaip vienas įtampos šaltinis Vth, nuosekliai sujungtas su varža Rth. Nortono teorema tą patį tinklą pateikia kaip srovės šaltinį IN = Vth/Rth, lygiagretų su Rth.

R1​ = 20 ΩR3​ = 6 ΩTRUMPAS JUNGIMASR2​3 ΩAATVIRABabRth​

Raskite Rth, išjungę visus šaltinius

Įtampos šaltinius pakeiskite trumpaisiais jungimais, srovės šaltinius – atvira grandine, tada žiūrėkite į grandinę iš a–b.

R1 ∥ R2 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 6 = 8,609 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAIs​6 ABab+−Vth​

Raskite Vth – tuščiosios veikos įtampą

Kai a–b atviri, vienintelis kelias Iₛ yra per R₃ į mazgą A. Raskite V_A superpozicija iš V₁ ir Iₛ, tada pridėkite įtampos kritimą ant R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 1,304 + 6·2,609 = 16,96 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,96 + 6·6 = 52,96 V
Rth​ = 8,609 Ω+−Vth​52,96 VRL​20 ΩIL​

Prijunkite apkrovą prie Tevenino ekvivalento

Tevenino šaltinis ir nuoseklus R_th gnybtuose a–b elgiasi lygiai kaip pradinė grandinė, todėl apkrova mato paprastą nuoseklų kontūrą.

IL = Vth/(Rth + RL) = 52,96/(8,609 + 20) = 1,851 A
15.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: φ = 76,03 °

Dažninė charakteristika: perdavimo funkcijoje įrašykite s = jω. Modulis decibelais yra 20·log₁₀|H(jω)|, o fazė yra skaitiklio dauginamųjų kampų suma minus vardiklio dauginamųjų kampų suma. Pirmos eilės RC ar RL filtras turi lūžio (−3 dB) dažnį ωc = 1/(RC) arba R/L, o fc = ωc/(2π); žemųjų dažnių filtras duoda |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ir φ = −atan(ω/ωc). Asimptotiniame (tiesių atkarpų) Bode grafike kiekvienas polius sulenkia modulį žemyn 20 dB/dekadai ties savo lūžio dažniu, kiekvienas nulis sulenkia jį aukštyn 20 dB/dekadai, o integratorius 1/s visais dažniais duoda −20 dB/dekadai. Stiprinimo kirtimo dažnis ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fazės atsarga PM = 180° + ∠L(jωc). Fazės kirtimo dažnis ω180: ∠L(jω) = −180°; stiprinimo atsarga GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Uždaroji kilpa stabili, kai abi atsargos teigiamos.

Lūžio dažnis

ωc = 1/(RC) = 1/(22000·1 × 10⁻⁷) = 454,5 rad/s
fc = 72,34 Hz → f/fc = 18/72,34 = 0,2488

Fazė

φ = 90° − atan(0,2488) = 76,03°

Atsakymas

φ = 76,03°
16.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: ω180 = 7,746 rad/s

Dažninė charakteristika: perdavimo funkcijoje įrašykite s = jω. Modulis decibelais yra 20·log₁₀|H(jω)|, o fazė yra skaitiklio dauginamųjų kampų suma minus vardiklio dauginamųjų kampų suma. Pirmos eilės RC ar RL filtras turi lūžio (−3 dB) dažnį ωc = 1/(RC) arba R/L, o fc = ωc/(2π); žemųjų dažnių filtras duoda |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ir φ = −atan(ω/ωc). Asimptotiniame (tiesių atkarpų) Bode grafike kiekvienas polius sulenkia modulį žemyn 20 dB/dekadai ties savo lūžio dažniu, kiekvienas nulis sulenkia jį aukštyn 20 dB/dekadai, o integratorius 1/s visais dažniais duoda −20 dB/dekadai. Stiprinimo kirtimo dažnis ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fazės atsarga PM = 180° + ∠L(jωc). Fazės kirtimo dažnis ω180: ∠L(jω) = −180°; stiprinimo atsarga GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Uždaroji kilpa stabili, kai abi atsargos teigiamos.

Fazės kirtimas

(ω/6)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(6·10) = 7,746 rad/s

Atsakymas

ω180 = 7,746 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-2