Netwerkanalyse 2: wisselstroomschakelingen: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 16 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Complexe getallen

Rechthoekige vorm
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Modulus en argument
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Poolvorm en exponentiële vorm
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Deling
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Product en quotiënt
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
De Moivre
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
n-de machtswortels
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Kwadratische vergelijking met p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Methode

  1. Bepaal welke vorm bij de bewerking past: rechthoekig a + jb voor optellen en aftrekken, pool r∠θ voor vermenigvuldigen, delen, machten en wortels.
  2. Werk uit met j² = −1; deel door teller en noemer te vermenigvuldigen met de geconjugeerde van de noemer.
  3. Reken om met r = √(a² + b²) en θ uit een schets van het punt (controleer het kwadrant), en terug met a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Gebruik voor machten De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; noteer voor zⁿ = R∠φ alle n wortels R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Wisselstroomimpedantie en fasoren

Impedanties
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Hoekfrequentie
ω = 2πf
Modulus en hoek
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Wet van Ohm met fasoren
V = I·Z

Methode

  1. Reken de frequentie om: ω = 2πf.
  2. Bereken elke reactantie: XL = ωL en XC = 1/(ωC).
  3. Tel impedanties op zoals weerstanden, met Z = R + jX.
  4. Bereken de grootte |Z| = √(R² + X²) en de hoek φ = atan(X/R), en gebruik daarna de wet van Ohm met fasoren.

Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Werkelijk vermogen
P = V·I·cos φ
Blindvermogen
Q = V·I·sin φ
Schijnbaar vermogen
S = V·I = √(P² + Q²)
Arbeidsfactor
pf = cos φ = P/S
Compensatiecondensator
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Eigenfrequentie
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Energie
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Piekstroom
Imax = V0√(C/L)
Kwaliteitsfactor
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
Serie-RLC
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
Parallel-RLC
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Bandbreedte
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Halfvermogensfrequenties
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Tank met spoelweerstand r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Afname van de amplitude
e−Rt/(2L)

Methode

  1. Zoek eerst de resonantiefrequentie: ω₀ = 1/√(LC) en f₀ = ω₀/(2π).
  2. Bepaal of de schakeling serie of parallel is: serie Q = (1/R)√(L/C), parallel Q = R√(C/L).
  3. Gebruik BW = f₀/Q voor de bandbreedte, of de snelle formules R/(2πL) (serie) en 1/(2πRC) (parallel).
  4. Gebruik bij energievragen dat de totale energie ½CV₀² in een ideale LC-schakeling constant blijft en elke kwartperiode heen en weer gaat tussen C en L.

Draaistroomvermogen

Sterschakeling (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Driehoekschakeling (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Totaal werkelijk vermogen
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Schijnbaar vermogen en blindvermogen
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Compensatiecondensatoren
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Spanning over elke condensator
Δ: VL Y: VL/√3
Opgenomen motorvermogen
Pin = Pout/η

RC- en RL-schakelverschijnselen

Tijdconstante
τ = RC | τ = L/R
Respons
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensator bij gelijkstroom
open klemmen; vC kan niet verspringen
Spoel bij gelijkstroom
kortsluiting; iL kan niet verspringen
Eindtoestand
t ≈ 5τ

Methode

  1. Bepaal de beginwaarde vlak na het schakelen: een condensatorspanning en een spoelstroom kunnen niet verspringen.
  2. Bepaal de eindwaarde lang na het schakelen: een condensator gedraagt zich als een open keten, een spoel als een kortsluiting.
  3. Bepaal de tijdconstante: τ = RC of τ = L/R, met de weerstand die de condensator of spoel ziet.
  4. Gebruik x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Thévenin en Norton

Thévenin-spanning
Vth = Vopen circuit
Thévenin-weerstand
Rth: alle bronnen uit, gezien vanaf a–b
Norton-stroom
IN = Vth/Rth
Belastingsstroom
IL = Vth/(Rth + RL)
Maximale vermogensoverdracht
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Methode

  1. Haal de belasting weg en markeer de twee klemmen a en b.
  2. Bepaal de openklemspanning tussen a en b: dit is Vth.
  3. Schakel alle onafhankelijke bronnen uit en bepaal de weerstand gezien vanaf a–b: dit is Rth.
  4. Zet de belasting terug op het vervangingsschema: Vth in serie met Rth.
  5. Reken voor het Norton-equivalent om: IN = Vth/Rth, met RN = Rth parallel.

2Oefenopgaven

1.Complexe getallenGemiddeld
ReIm22−2−244−4−466−6−6θz

Bepaal het argument θ van z = −6 + j2 in graden, als hoofdwaarde tussen −180° en 180°.

z = −6 + j2
θ = °
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm11−1−122−2−2θz

Bepaal het reële deel van (2 − j2)⁵.

z = 2 − j2n = 5
Re(z⁵) =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
24 V60 HzR = 100 ΩC = 10 µFI

Een weerstand en een condensator zijn parallel aangesloten op een voeding van 24 V (rms), 60 Hz. Vind de fasehoek φ van de impedantie, in graden (positief als de stroom achterloopt op de spanning).

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩC = 10 µF
φ = °
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
VfR = 5 ΩL = 1 mHC = 1 µF

Een serie-RLC-schakeling heeft R = 5 Ω, L = 1 mH en C = 1 µF. Vind de kwaliteitsfactor Q bij resonantie.

R = 5 ΩL = 1 mHC = 1 µF
Q =
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
240 V14 kW, 0,65217 kW, 1I = ?

Twee belastingen zijn parallel aangesloten op een eenfasige voeding van 240 V: een belasting van 4 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,65 en een verwarmingselement van 17 kW (arbeidsfactor 1). Vind de totale stroom I die uit de voeding wordt opgenomen.

V = 240 VP1 = 4 kW, pf1 = 0,65 inductiefP2 = 17 kW, pf2 = 1
I = A
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
24 V60 HzRs​ = 2 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

Een bron van 24 V (rms), 60 Hz heeft een inwendige impedantie Zs = 2 + j15 Ω. De belastingsimpedantie ZL kan vrij worden gekozen. Vind het maximale werkelijk vermogen Pmax dat aan de belasting kan worden geleverd.

Vs = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 2 + j15 Ω
Pmax = W
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
V22 Ω220 µH100 nF

Een serie-RLC-schakeling heeft R = 22 Ω, L = 220 µH en C = 100 nF. Bepaal zijn bandbreedte BW in kHz.

R = 22 ΩL = 220 µHC = 100 nF
BW = kHz
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
V5 Ω4,7 mH470 nF10 mA

Een serie-RLC-schakeling (R = 5 Ω, L = 4,7 mH, C = 470 nF) wordt bij resonantie aangestuurd met een stroomamplitude van 10 mA. Bepaal de energie Ecycle die in R per periode wordt gedissipeerd, in nJ.

R = 5 ΩL = 4,7 mHC = 470 nFIm = 10 mA
Ecycle = nJ
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 208 VZ = 6 + j8 Ωper fase

Een symmetrische, in driehoek geschakelde belasting met een impedantie van 6 + j8 Ω per fase is aangesloten op een symmetrisch draaistroomnet met een lijnspanning van 208 V. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 208 VZ = 6 + j8 Ω per fase
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 200 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een net van 400 V (lijnspanning), 50 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,95 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. De condensatoren zijn in ster geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 1 kΩC47 µF+−vC​

De bron Vₛ laadt de condensator op via R₁, en R₂ staat parallel aan C. De condensator is ongeladen als de schakelaar op t = 0 sluit. Vind de condensatorspanning vC op t = 40 ms.

Vs = 9 VR1 = 10 kΩR2 = 1 kΩC = 47 µFt = 40 ms
vC = V
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​24 Vt = 0R = 1 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 8 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Vind de condensatorspanning vC op t = 50 ms.

Vs = 24 VR = 1 kΩC = 68 µFvC(0) = 8 Vt = 50 ms
vC = V
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab

Vind de Norton-stroom IN: de stroom die van a naar b loopt als de klemmen kortgesloten zijn.

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​2 ABab

Vind de Thévenin-spanning Vth gezien vanaf de klemmen a–b.

V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 10

Bepaal de exacte grootte |G(jω)| van G(s) = 624/((s + 3)(s + 16)) bij ω = 10 rad/s, in dB.

G(s) = 624/((s + 3)(s + 16))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8)). Bepaal de versterking K die een versterkingsmarge van 8 dB geeft.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))GM = 8 dB
K =

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: θ = 161,6 °

Poolvorm: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, met r = |z| en θ = arg z. Terug naar de rechthoekige vorm: a = r cos θ, b = r sin θ. Voor het argument is het kwadrant nodig: θ = atan(b/a) alleen als a > 0; voor a < 0 tel je 180° op of trek je 180° af. In poolvorm is vermenigvuldigen eenvoudig: vermenigvuldig de moduli en tel de argumenten op; bij delen deel je de moduli en trek je de argumenten af.

Kwadrant

a = −6, b = 2 → II

Referentiehoek

α = atan(2/6) = 18,43°

Argument

θ = 180° − α = 161,6°

Antwoord

θ = 161,6°

In poolvorm is z = 6,325∠161,6°.

2.Complexe getallen

Antwoord: Re(z⁵) = −128

De Moivre en wortels: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. De vergelijking zⁿ = R∠φ heeft precies n wortels, allemaal met modulus R1/n, bij de argumenten (φ + 360°·k)/n voor k = 0, 1, …, n − 1: ze liggen gelijkmatig verdeeld op een cirkel, 360°/n uit elkaar. Een kwadratische vergelijking z² + pz + q = 0 met p² < 4q heeft de complexe wortels z = −p/2 ± j√(q − p²/4); een polynoom met reële coëfficiënten heeft zijn complexe wortels altijd in geconjugeerde paren a ± jb.

Machten stap voor stap

z² = (2 − j2)(2 − j2) = −j8
z³ = (−j8)(2 − j2) = −16 − j16
z⁴ = (−16 − j16)(2 − j2) = −64
z⁵ = (−64)(2 − j2) = −128 + j128

Controleer met De Moivre

z = 2,828∠−45° → z⁵ = 181∠135°
Re(z⁵) = −128

Antwoord

Re(z⁵) = −128
3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: φ = −20,66 °

Wisselstroom met fasoren: weerstanden, spoelen en condensatoren hebben impedanties R, jωL en 1/(jωC), met ω = 2πf. In serie tellen impedanties op zoals weerstanden, maar dan als complexe getallen. Effectieve stroom en spanning volgen de wet van Ohm met |Z|.

Reactantie

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·60·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω

Takstromen

Beide takken zijn rechtstreeks op de voeding aangesloten, dus elke tak krijgt de volle spanning V.

IR = V/R = 24/100 = 0,24 A
IX = V/XC = 24/265,3 = 0,09048 A

Totale stroom

De stroom door de weerstand is in fase met V en de reactieve stroom is 90° uit fase, dus ze tellen op als de zijden van een rechthoekige driehoek.

I = √(IR² + IX²) = √(0,24² + 0,09048²) = 0,2565 A

Fasehoek

De condensatorstroom ijlt voor op V, dus de totale stroom ijlt voor en de hoek is negatief.

φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(0,09048/0,24) = −20,66°

Antwoord

φ = −20,66°
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: Q = 6,325

Wisselstroom met fasoren: weerstanden, spoelen en condensatoren hebben impedanties R, jωL en 1/(jωC), met ω = 2πf. In serie tellen impedanties op zoals weerstanden, maar dan als complexe getallen. Effectieve stroom en spanning volgen de wet van Ohm met |Z|.

Resonantiefrequentie

f0 = 1/(2π·√(0,001·1·10⁻⁶)) = 5033 Hz

Kwaliteitsfactor

Q vergelijkt de reactantie bij resonantie met de weerstand: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/5)·√(0,001/(1·10⁻⁶)) = 6,325

Antwoord

Q = 6,325
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: I = 89,64 A

Wisselstroomvermogen: het schijnbaar vermogen S = V·I (VA) splitst zich in werkelijk vermogen P = S·cos φ (W), dat nuttig werk doet, en blindvermogen Q = S·sin φ (var), dat heen en weer gaat tussen bron en belasting. De arbeidsfactor is cos φ. Een condensator parallel levert blindvermogen ter plaatse, dus de lijnstroom daalt bij hetzelfde werkelijk vermogen.

Blindvermogen van elke belasting

Een inductieve belasting neemt blindvermogen op (Q > 0); een capacitieve belasting levert het (Q < 0).

Q1 = 4·tan(arccos 0,65) = 4,677 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totalen

P = 4 + 17 = 21 kW
Q = 4,677 + 0 = 4,677 kvar
S = √(21² + 4,677²) = 21,51 kVA

Totale stroom

I = S/V = 21514/240 = 89,64 A

Antwoord

I = 89,64 A
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Pmax = 72 W

Wisselstroomvermogen: het schijnbaar vermogen S = V·I (VA) splitst zich in werkelijk vermogen P = S·cos φ (W), dat nuttig werk doet, en blindvermogen Q = S·sin φ (var), dat heen en weer gaat tussen bron en belasting. De arbeidsfactor is cos φ. Een condensator parallel levert blindvermogen ter plaatse, dus de lijnstroom daalt bij hetzelfde werkelijk vermogen.

Complex geconjugeerde aanpassing

De reactantie van de belasting heft die van de bron op, en de belastingsweerstand is gelijk aan de bronweerstand.

ZL = Zs* = 2 − j15 Ω

Maximaal vermogen

I = Vs/(2Rs) = 24/4 = 6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·2) = 72 W

Antwoord

Pmax = 72 W
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: BW = 15,92 kHz

Q-factor en bandbreedte: in een resonantiekring is Q = 2π·(opgeslagen energie)/(verloren energie per periode). Voor serie-RLC is Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); voor parallel-RLC is Q = R/(ω0L) = R√(C/L). De bandbreedte tussen de halfvermogensfrequenties f1 en f2 (waar het vermogen de helft is en de stroom of spanning 1/√2 van de piekwaarde) is BW = f2 − f1 = f0/Q, dat is R/(2πL) in serie en 1/(2πRC) parallel. De resonantiefrequentie is het meetkundig gemiddelde f0 = √(f1f2), en f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Verliezen laten de trilling ook uitdoven: in serie-RLC neemt de amplitude af als e−Rt/(2L).

Bandbreedte in rad/s

R/L = 22/0,00022 = 100000 rad/s

Bandbreedte in Hz

BW = 100000/(2π) = 15915 Hz = 15,92 kHz

Antwoord

BW = 15,92 kHz

Met f₀ = 33,93 kHz geeft dit Q = 2,132.

8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: Ecycle = 73,83 nJ

Q-factor en bandbreedte: in een resonantiekring is Q = 2π·(opgeslagen energie)/(verloren energie per periode). Voor serie-RLC is Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); voor parallel-RLC is Q = R/(ω0L) = R√(C/L). De bandbreedte tussen de halfvermogensfrequenties f1 en f2 (waar het vermogen de helft is en de stroom of spanning 1/√2 van de piekwaarde) is BW = f2 − f1 = f0/Q, dat is R/(2πL) in serie en 1/(2πRC) parallel. De resonantiefrequentie is het meetkundig gemiddelde f0 = √(f1f2), en f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Verliezen laten de trilling ook uitdoven: in serie-RLC neemt de amplitude af als e−Rt/(2L).

Opgeslagen energie

W = ½·0,0047·0,01² = 2,35 × 10⁻⁷ J

Kwaliteitsfactor

Q = (1/5)·√(0,0047/4,7 × 10⁻⁷) = 20

Verloren energie per periode

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·2,35 × 10⁻⁷/20 = 7,383 × 10⁻⁸ J = 73,83 nJ
controle: ½·0,01²·5/3386 = 7,383 × 10⁻⁸ J

Antwoord

Ecycle = 73,83 nJ
9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 7,788 kW

Symmetrische draaistroomsystemen: in een Y-schakeling (ster) is de lijnspanning √3 keer de fasespanning, VL = √3·Vph, en is de lijnstroom gelijk aan de fasestroom. In een Δ-schakeling (driehoek) is de lijnspanning gelijk aan de fasespanning en is de lijnstroom √3 keer de fasestroom, IL = √3·Iph. Het totale vermogen is drie keer het vermogen van één fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Fasespanning

Vph = VL = 208 V

Fasestroom

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
Iph = 208/10 = 20,8 A

Totaal werkelijk vermogen

Alleen het resistieve deel van elke impedantie neemt werkelijk vermogen op.

P = 3·Iph²·R = 3·20,8²·6 = 7,788 kW

Antwoord

P = 7,788 kW

Controle: cos φ = R/|Z| = 0,6, en √3·VL·IL·cos φ geeft hetzelfde vermogen.

10.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 2751 µF

Symmetrische draaistroomsystemen: in een Y-schakeling (ster) is de lijnspanning √3 keer de fasespanning, VL = √3·Vph, en is de lijnstroom gelijk aan de fasestroom. In een Δ-schakeling (driehoek) is de lijnspanning gelijk aan de fasespanning en is de lijnstroom √3 keer de fasestroom, IL = √3·Iph. Het totale vermogen is drie keer het vermogen van één fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Arbeidsfactorcompensatie: condensatoren leveren blindvermogen ter plaatse, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Elk van de drie condensatoren levert QC/3 = V²·ω·C, waarbij V de spanning over die condensator is: VL in een driehoeksbank, VL/√3 in een sterbank.

Blindvermogen voor en na

Het werkelijk vermogen verandert niet, dus elke arbeidsfactor legt het blindvermogen vast: Q = P·tan φ.

Q1 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,95) = 200·0,3287 = 65,74 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 138,3 kvar

Capaciteit per fase

In een sterbank is elke condensator aangesloten tussen een lijn en het sterpunt.

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 46101/(314,2·230,9²) = 2751 µF

Antwoord

Cph = 2751 µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: vC = 0,4974 V

Eerste-orde schakelverschijnselen: in een schakeling met één condensator of één spoel gaat elke spanning en stroom exponentieel van de beginwaarde naar de eindwaarde: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, met τ = RC of τ = L/R. Na ongeveer 5τ is de schakeling uitgeslingerd.

Thévenin-equivalent gezien vanaf de condensator

Sluit de bron kort om Rth te vinden; laat de condensator open om de spanning te vinden waarop hij uitkomt.

Rth = R1 ∥ R2 = 10·1/(10 + 1) = 0,9091 kΩ
vC(∞) = 9·1/(10 + 1) = 0,8182 V

Tijdconstante

τ = Rth·C = 0,9091·47 = 42,73 ms

Laadcurve

vC(t) = 0,8182·(1 − e−40/42,73) = 0,4974 V

Antwoord

vC = 0,4974 V
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: vC = 16,33 V

Eerste-orde schakelverschijnselen: in een schakeling met één condensator of één spoel gaat elke spanning en stroom exponentieel van de beginwaarde naar de eindwaarde: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, met τ = RC of τ = L/R. Na ongeveer 5τ is de schakeling uitgeslingerd.

Beginwaarde, eindwaarde, tijdconstante

De condensatorspanning kan niet verspringen, dus begint ze bij de opgeslagen waarde en gaat ze naar de bronspanning.

vC(0) = 8 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 1 kΩ · 68 µF = 68 ms
vC(t) = 24 + (8 − 24)·e−t/τ

Spanning op het gegeven tijdstip

vC(50) = 24 + (−16)·e−50/68 = 16,33 V

Antwoord

vC = 16,33 V
13.Thévenin en Norton

Antwoord: IN = 0,4 A

Stelling van Thévenin: elk lineair tweepoolnetwerk gedraagt zich als één spanningsbron Vth in serie met een weerstand Rth. De stelling van Norton geeft hetzelfde netwerk als een stroombron IN = Vth/Rth parallel aan Rth.

R1​ = 10 ΩR3​ = 5 ΩKORTSLUITINGR2​5 ΩAabRth​

Vind Rth met alle bronnen uitgeschakeld

Vervang spanningsbronnen door kortsluitingen en stroombronnen door open circuits, en kijk dan vanaf a–b de schakeling in.

R1 ∥ R2 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 5 = 8,333 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab+−Vth​

Vind Vth, de openklemspanning

Met a–b open loopt er geen stroom door R₃, dus er valt geen spanning over en V_b = V_A. R₁ en R₂ vormen een spanningsdeler.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 10·5/(10+5) = 3,333 V
IN​0,4 ARth​8,333 Ωab

Norton-equivalent

Een Norton-bron is dezelfde schakeling, gezien als een stroombron parallel aan R_th. De stroom is de kortsluitstroom tussen a–b.

IN = Vth/Rth = 3,333/8,333 = 0,4 A
14.Thévenin en Norton

Antwoord: Vth = −18,4 V

Stelling van Thévenin: elk lineair tweepoolnetwerk gedraagt zich als één spanningsbron Vth in serie met een weerstand Rth. De stelling van Norton geeft hetzelfde netwerk als een stroombron IN = Vth/Rth parallel aan Rth.

R1​ = 15 ΩR3​ = 5 ΩKORTSLUITINGR2​10 ΩAOPENBabRth​

Vind Rth met alle bronnen uitgeschakeld

Vervang spanningsbronnen door kortsluitingen en stroombronnen door open circuits, en kijk dan vanaf a–b de schakeling in.

R1 ∥ R2 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 5 = 11 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​2 ABab+−Vth​

Vind Vth, de openklemspanning

Met a–b open is het enige pad voor Iₛ via R₃ naar knooppunt A. Vind V_A met superpositie van V₁ en Iₛ, en tel dan de spanningsval over R₃ erbij op.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 3,6 + (−2)·6 = −8,4 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −8,4 + (−2)·5 = −18,4 V
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: |G(jω)| = 10,01 dB

Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.

Vermenigvuldig de groottes

|G(j10)| = 624/(√(10² + 3²)·√(10² + 16²)) = 624/(10,44·18,87) = 3,168

Resultaat

20·log₁₀(3,168) = 10,01 dB

Antwoord

|G(jω)| = 10,01 dB
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: K = 267,5

Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.

Faseomslag

(ω/6)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(6·8) = 6,928 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 64)) = K/(6·8·(6 + 8)) = K/672

Vereiste versterking

672/K = 108/20 = 2,512
K = 672/2,512 = 267,5

Antwoord

K = 267,5

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