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
ReIm11−1−122−2−233−3−344−4−455−5−566−6−677−7−788−8−8zABCD

Het diagram toont z = 3 − j2. Met w = 2∠90°, klik op het punt dat z·w voorstelt.

z = 3 − j2w = 2∠90°
  1. 1A (−4 − j6)
  2. 2B (2 + j3)
  3. 3C (6 − j4)
  4. 4D (4 + j6)
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃z₄z₅

De wortels van zⁿ = w met n = 6 en w = 729∠90° zijn zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, …, 5. Bepaal het argument van z₀ in graden, tussen −180° en 180°.

w = 729∠90°n = 6k = 0
θ₀ = °
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
12 V200 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 1 µF

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 12 V (rms), 200 Hz. Vind de fasehoek φ van de impedantie, in graden (positief als de stroom achterloopt op de spanning).

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 1 µF
φ = °
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
120 V1000 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 120 V (rms), 1000 Hz. Vind de resonantiefrequentie f0 van de schakeling.

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
f0 = Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
240 V114 kW, 0,85227 kW, 1I

Twee belastingen zijn parallel aangesloten op een eenfasige voeding van 240 V: een belasting van 14 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,85 en een verwarmingselement van 27 kW (arbeidsfactor 1). Vind de totale arbeidsfactor cos φ die de voeding ziet.

V = 240 VP1 = 14 kW, pf1 = 0,85 inductiefP2 = 27 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
230 V50 Hzbelasting22 kW, 0,65C470 µFI

Een eenfasige belasting neemt 22 kW op met een inductieve arbeidsfactor van 0,65 uit een voeding van 230 V, 50 Hz. Parallel aan de belasting wordt een condensator van 470 µF aangesloten. Vind de nieuwe arbeidsfactor cos φ die de voeding ziet.

P = 22 kWpf1 = 0,65V = 230 Vf = 50 HzC = 470 µF
cos φ =
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
C = 470 pF+−9 VL = 1 mHiL​

Een condensator van 470 pF, opgeladen tot 15 V, oscilleert met een ideale spoel van 1 mH. Bepaal de energie WL die in de spoel is opgeslagen op het moment dat de condensatorspanning 9 V is, in nJ.

C = 470 pFV0 = 15 VvC = 9 V
WL = nJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
V5 Ω47 µH47 nF20 mA

Een serie-RLC-schakeling (R = 5 Ω, L = 47 µH, C = 47 nF) wordt bij resonantie aangestuurd met een stroomamplitude van 20 mA. Bepaal de energie Ecycle die in R per periode wordt gedissipeerd, in nJ.

R = 5 ΩL = 47 µHC = 47 nFIm = 20 mA
Ecycle = nJ
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 208 VIL​ = 20 Acos φ = 0,82inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 20 A op uit een net met een lijnspanning van 208 V. De arbeidsfactor is 0,82 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 208 VIL = 20 Acos φ = 0,82
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Een symmetrische driefasige belasting neemt 200 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,65 uit een net van 415 V (lijnspanning), 50 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,92 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. Vind het totale blindvermogen QC dat de condensatorbank moet leveren, in kvar.

P = 200 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​24 Vt = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 1 kΩC220 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 = 100 ms.

Vs = 24 VR1 = 3,3 kΩR2 = 1 kΩC = 220 µFt = 100 ms
vC = V
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​12 Vt = 0R = 2,2 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 15 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Vind de condensatorspanning vC op t = 250 ms.

Vs = 12 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 15 Vt = 250 ms
vC = V
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAab

Vind de Thévenin-weerstand Rth gezien vanaf de klemmen a–b.

V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 20 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAIs​5 ABRL​6 ΩIL​

Een belasting RL = 6 Ω is aangesloten over a–b. Gebruik een Thévenin-equivalent om het vermogen PL in de belasting te vinden.

V1 = 18 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 ΩRL = 6 Ω
PL = W
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​L = 4,7 mHR = 47 Ωvout​

Het getoonde RL-laagdoorlaatfilter heeft R = 47 Ω, L = 4,7 mH. Er wordt een sinusvormige ingang van 800 Hz aangelegd. Bepaal de versterking |H| = |vout/vin| in dB.

R = 47 ΩL = 4,7 mHf = 800 Hz
|H| = 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 + 1)(s + 5)). Bepaal de versterking K die een versterkingsmarge van 6 dB geeft.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))GM = 6 dB
K =

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: D (4 + j6)

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.

Effect van w

|z·w| = 2·|z|, arg(z·w) = arg z + 90°

Het punt

z·w = 4 + j6 → D

Antwoord

D (4 + j6)
2.Complexe getallen

Antwoord: θ₀ = 15 °

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.

Modulus van de wortels

7291/6 = 3

Argument van de wortel

θ₀ = (90° + 360°·0)/6 = 15°

Argument

θ₀ = 15°

Antwoord

θ₀ = 15°

De 6 wortels liggen op de cirkel met straal 3, 60° uit elkaar.

3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: φ = −80,57 °

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|.

Reactanties

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,25 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·1·10⁻⁶) = 795,8 Ω

Impedantie

In serie tellen impedanties op als complexe getallen: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−481,6)²) = 488,2 Ω

Fasehoek

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−481,6/80) = −80,57°

Antwoord

φ = −80,57°
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: f0 = 239,9 Hz

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|.

Resonantie

Bij resonantie heffen de inductieve en capacitieve reactantie elkaar op: ωL = 1/(ωC). De voedingsfrequentie doet er niet toe.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,2·2,2·10⁻⁶)) = 239,9 Hz

Antwoord

f0 = 239,9 Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: cos φ = 0,9783

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 = 14·tan(arccos 0,85) = 8,676 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totalen

P = 14 + 27 = 41 kW
Q = 8,676 + 0 = 8,676 kvar
S = √(41² + 8,676²) = 41,91 kVA

Totale arbeidsfactor

cos φ = P/S = 41/41,91 = 0,9783 inductief

Antwoord

cos φ = 0,9783
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: cos φ = 0,7755

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 voor en na

Het werkelijk vermogen P verandert niet; alleen het blindvermogen uit het net verandert.

Q1 = 22·tan(arccos 0,65) = 25,72 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·470·10⁻⁶ = 7811 var = 7,811 kvar
Q2 = 25,72 − 7,811 = 17,91 kvar

Nieuw schijnbaar vermogen

S2 = √(22² + 17,91²) = 28,37 kVA

Nieuwe arbeidsfactor

cos φ = P/S2 = 22/28,37 = 0,7755

Antwoord

cos φ = 0,7755
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: WL = 33,84 nJ

LC-resonantie: een opgeladen condensator die op een spoel is aangesloten drijft een stroom die hem de andere kant op oplaadt: de energie pendelt tussen het elektrische veld van C (½Cv²) en het magnetische veld van L (½Li²) met de eigenfrequentie f0 = 1/(2π√(LC)). Zonder weerstand blijft de totale energie ½CV0² constant, dus de piekstroom is Imax = V0√(C/L). Eén periode is T = 1/f0; de energie gaat in een kwart ervan van C naar L.

Totale energie

½·4,7 × 10⁻¹⁰·15² = 5,287 × 10⁻⁸ J

Energie die in de condensator overblijft

½·4,7 × 10⁻¹⁰·9² = 1,904 × 10⁻⁸ J

Energie in de spoel

WL = 3,384 × 10⁻⁸ J = 33,84 nJ

Antwoord

WL = 33,84 nJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: Ecycle = 9,339 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 = ½·4,7 × 10⁻⁵·0,02² = 9,4 × 10⁻⁹ J

Kwaliteitsfactor

Q = (1/5)·√(4,7 × 10⁻⁵/4,7 × 10⁻⁸) = 6,325

Verloren energie per periode

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·9,4 × 10⁻⁹/6,325 = 9,339 × 10⁻⁹ J = 9,339 nJ
controle: ½·0,02²·5/107083 = 9,339 × 10⁻⁹ J

Antwoord

Ecycle = 9,339 nJ
9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 5,908 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.

Schijnbaar vermogen

S = √3·VL·IL = √3·208·20 = 7,205 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 7,205·0,82 = 5,908 kW

Antwoord

P = 5,908 kW
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: QC = 148,6 kvar

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 0,65) = 200·1,169 = 233,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 148,6 kvar

Antwoord

QC = 148,6 kvar
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: vC = 2,495 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 = 3,3·1/(3,3 + 1) = 0,7674 kΩ
vC(∞) = 24·1/(3,3 + 1) = 5,581 V

Tijdconstante

τ = Rth·C = 0,7674·220 = 168,8 ms

Laadcurve

vC(t) = 5,581·(1 − e−100/168,8) = 2,495 V

Antwoord

vC = 2,495 V
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: vC = 12,56 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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 12 + (15 − 12)·e−t/τ

Spanning op het gegeven tijdstip

vC(250) = 12 + (3)·e−250/149,6 = 12,56 V

Antwoord

vC = 12,56 V
13.Thévenin en Norton

Antwoord: Rth = 4 Ω

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​ = 6 ΩR3​ = 2 ΩKORTSLUITINGR2​3 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 2 = 4 Ω
14.Thévenin en Norton

Antwoord: PL = 98,27 W

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​ = 20 ΩR3​ = 25 ΩKORTSLUITINGR2​15 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 25 = 33,57 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAIs​5 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) = 7,714 + (−5)·8,571 = −35,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −35,14 + (−5)·25 = −160,1 V
Rth​ = 33,57 Ω−+Vth​160,1 VRL​6 ΩIL​

Sluit de belasting aan op het Thévenin-equivalent

De Thévenin-bron en R_th in serie gedragen zich bij a–b precies als de oorspronkelijke schakeling, dus de belasting ziet een eenvoudige serielus.

IL = Vth/(Rth + RL) = −160,1/(33,57 + 6) = −4,047 A
PL = IL²·RL = −4,047²·6 = 98,27 W
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: |H| = −0,9783 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.

Kantelfrequentie

ωc = R/L = 47/0,0047 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 800/1592 = 0,5027

Versterking

|H| = 1/√(1 + 0,5027²) = 0,8935
20·log₁₀(0,8935) = −0,9783 dB

Antwoord

|H| = −0,9783 dB
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: K = 15,04

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/1)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(1·5) = 2,236 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 25)) = K/(1·5·(1 + 5)) = K/30

Vereiste versterking

30/K = 106/20 = 1,995
K = 30/1,995 = 15,04

Antwoord

K = 15,04

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