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
ReIm55−5−51010−10−10θz

Schrijf z = 10∠160° in rechthoekige vorm a + jb en geef het imaginaire deel b.

r = 10θ = 160°
b =
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm11−1−122−2−2θz

Gebruik de stelling van De Moivre om het reële deel van z⁶ te vinden voor z = 1 − j√3.

z = 1 − j√3n = 6
Re(z⁶) =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
50 V60 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 47 µFI

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 50 V (rms), 60 Hz. Vind de effectieve stroom I.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 47 µF
I = A
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
5 Vf0​R = 2 ΩL = 5 mHC = 2,2 µF

Een serie-RLC-schakeling wordt gevoed door een bron van 5 V (rms) waarvan de frequentie is ingesteld op de resonantiefrequentie van de schakeling. Vind de effectieve spanning VL over de spoel.

V = 5 V (rms)R = 2 ΩL = 5 mHC = 2,2 µF
VL = V
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
120 VR + jXP = 1920 W20 A

Een inductieve belasting neemt 20 A en 1920 W op uit een eenfasige voeding van 120 V (rms). Modelleer haar als een weerstand R in serie met een reactantie X. Vind R.

V = 120 VI = 20 AP = 1920 W
R = Ω
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
100 V60 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j6 ΩZL​ = ?

Een bron van 100 V (rms), 60 Hz heeft een inwendige impedantie Zs = 10 + j6 Ω. De belastingsimpedantie ZL kan vrij worden gekozen. Vind het maximale werkelijk vermogen Pmax dat aan de belasting kan worden geleverd.

Vs = 100 V (rms)f = 60 HzZs = 10 + j6 Ω
Pmax = W
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 100 µHC = 470 pF

In een ideale LC-schakeling met L = 100 µH en C = 470 pF is de condensator op t = 0 volledig opgeladen. Hoe lang duurt het tot alle energie in de spoel zit? Geef t in µs.

L = 100 µHC = 470 pF
t = µs
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
C = 100 nFR = 2 ΩL = 4,7 mH

Een opgeladen condensator van 100 nF ontlaadt over een spoel van 4,7 mH met een totale serieweerstand van 2 Ω, zodat de oscillatie langzaam uitdooft. De amplitude neemt af als e−Rt/(2L). Hoeveel perioden n verstrijken voordat de amplitude is gehalveerd? (De verliezen zijn klein, dus de frequentie is f₀.)

L = 4,7 mHC = 100 nFR = 2 Ω
n =
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 690 VIL​ = 150 Acos φ = 0,95inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 150 A op uit een net met een lijnspanning van 690 V. De arbeidsfactor is 0,95 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 690 VIL = 150 Acos φ = 0,95
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 80 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een net van 415 V (lijnspanning), 60 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 driehoek geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 80 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​24 Vt = 0R = 47 ΩL68 mHi(t)

De spoel voert geen stroom voordat de schakelaar op t = 0 sluit. Hoe lang na het sluiten van de schakelaar bereikt de stroom 75% van zijn eindwaarde? Vind t.

Vs = 24 VR = 47 ΩL = 68 mH
t = ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​15 VR1​ = 47 ΩR2​ = 5 Ωsluit op t = 0L68 mHi(t)

De schakelaar over R2 is al lang open, dus de spoelstroom is constant. Op t = 0 sluit de schakelaar en sluit R2 kort. Vind de spoelstroom i op t = 1 ms.

Vs = 15 VR1 = 47 ΩR2 = 5 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAIs​2,5 ABRL​4 ΩIL​

Een belasting RL = 4 Ω is aangesloten over a–b. Vervang de rest van de schakeling door het Thévenin-equivalent en vind de belastingsstroom IL.

V1 = 18 VIs = 2,5 AR1 = 25 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩRL = 4 Ω
IL = A
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​L = 100 mHR = 470 Ωvout​

Het getoonde RL-laagdoorlaatfilter heeft R = 470 Ω, L = 100 mH. Er wordt een sinusvormige ingang van 1,5 kHz aangelegd. Bepaal de faseverschuiving φ van vout ten opzichte van vin, in graden.

R = 470 ΩL = 100 mHf = 1,5 kHz
φ = °
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) = 274/(s(s + 6)(s + 7)). Bepaal de versterkingsmarge GM in dB.

L(s) = 274/(s(s + 6)(s + 7))
GM = dB

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: b = 3,42

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.

Componenten

a = 10·cos(160°) = −9,397
b = 10·sin(160°) = 3,42

Rechthoekige vorm

z = −9,397 + j3,42
b = 3,42

Antwoord

b = 3,42
2.Complexe getallen

Antwoord: Re(z⁶) = 64

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.

Poolvorm

z = 1 − j√3 = 2∠−60°

De Moivre

z⁶ = (2)⁶∠−360° = 64∠0°

Rechthoekige vorm

z⁶ = 64·(cos 0° + j sin 0°) = 64
Re(z⁶) = 64

Antwoord

Re(z⁶) = 64
3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: I = 0,7954 A

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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,1 = 37,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·47·10⁻⁶) = 56,44 Ω

Impedantie

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−18,74)²) = 62,86 Ω

Stroom

Door elk element van een serieschakeling loopt dezelfde stroom.

I = V/|Z| = 50/62,86 = 0,7954 A

Antwoord

I = 0,7954 A
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: VL = 119,2 V

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 reactanties elkaar op, dus de impedantie is gewoon R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·2,2·10⁻⁶) = 9535 rad/s
I = V/R = 5/2 = 2,5 A

Spanning over de spoel

XL = ω₀L = 9535·0,005 = 47,67 Ω
VL = I·XL = 2,5·47,67 = 119,2 V

Antwoord

VL = 119,2 V

Dit is Q = 23,84 keer de voedingsspanning.

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: R = 4,8 Ω

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.

Weerstand uit het werkelijk vermogen

R = P/I² = 1920/20² = 4,8 Ω

Antwoord

R = 4,8 Ω
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Pmax = 250 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* = 10 − j6 Ω

Maximaal vermogen

I = Vs/(2Rs) = 100/20 = 5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·10) = 250 W

Antwoord

Pmax = 250 W
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: t = 0,3405 µs

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.

Trillingstijd

T = 2π√(1 × 10⁻⁴·4,7 × 10⁻¹⁰) = 1,362 µs

Kwart periode

t = T/4 = 0,3405 µs

Antwoord

t = 0,3405 µs
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: n = 23,92

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).

Halfwaardetijd van de amplitude

t = 2·0,0047·ln 2/2 = 0,003258 s

Aantal perioden

n = t·f0 = 0,003258·7341 = 23,92

Antwoord

n = 23,92

Snelle formule: n = Q·ln 2/π met Q = 108,4.

9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 170,3 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 = √3·690·150 = 179,3 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 179,3·0,95 = 170,3 kW

Antwoord

P = 170,3 kW
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 284 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 = 80·tan(acos 0,7) = 80·1,02 = 81,62 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,95) = 80·0,3287 = 26,29 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 55,32 kvar

Capaciteit per fase

In een driehoeksbank is elke condensator aangesloten tussen twee lijnen.

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 18441/(377·415²) = 284 µF

Antwoord

Cph = 284 µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 2,006 ms

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.

Tijdconstante en eindstroom

Lang na het sluiten van de schakelaar gedraagt de spoel zich als een kortsluiting, dus de eindstroom wordt alleen door R bepaald.

τ = L/R = 68 mH / 47 Ω = 1,447 ms
i(∞) = Vs/R = 24/47 = 0,5106 A

Los op naar de tijd

0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −1,447·ln(0,25) = 2,006 ms

Antwoord

t = 2,006 ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: i = 0,3038 A

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

Vóór t = 0 zitten beide weerstanden in de kring; daarna overbrugt de gesloten schakelaar R₂.

i(0) = 15/(47 + 5) = 0,2885 A
i(∞) = 15/47 = 0,3191 A
τ = L/R = 68/47 = 1,447 ms
i(t) = 0,3191 + (0,2885 − 0,3191)·e−t/τ

Stroom op het gegeven tijdstip

i(1) = 0,3191 + (−0,03069)·e−1/1,447 = 0,3038 A

Antwoord

i = 0,3038 A
13.Thévenin en Norton

Antwoord: Rth = 17,5 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​ = 15 ΩR3​ = 15 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 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 15 = 17,5 Ω
14.Thévenin en Norton

Antwoord: IL = 2,314 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​ = 25 ΩR3​ = 15 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 = 25·10/(25+10) = 7,143 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,143 + 15 = 22,14 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAIs​2,5 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) = 5,143 + 2,5·7,143 = 23 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 23 + 2,5·15 = 60,5 V
Rth​ = 22,14 Ω+−Vth​60,5 VRL​4 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) = 60,5/(22,14 + 4) = 2,314 A
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: φ = −63,5 °

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.

Kantelfrequentie

ωc = R/L = 470/0,1 = 4700 rad/s
fc = 748 Hz → f/fc = 1500/748 = 2,005

Fase

φ = − atan(2,005) = −63,5°

Antwoord

φ = −63,5°
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: GM = 5,989 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.

Faseomslag

(ω/6)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(6·7) = 6,481 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 49)) = K/(6·7·(6 + 7)) = K/546

Versterkingsmarge

GM = 20·log₁₀(546/274) = 5,989 dB

Antwoord

GM = 5,989 dB

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