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
ReIm11−1−122−2−233−3−344−4−455−5−5zABCD

Het diagram toont z = 2 − j. Met w = 0,5∠−90°, klik op het punt dat z/w voorstelt.

z = 2 − jw = 0,5∠−90°
  1. 1A (2 + j4)
  2. 2B (−2 − j4)
  3. 3C (1 + j2)
  4. 4D (4 − j2)
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃z₄

De wortels van zⁿ = w met n = 5 en w = 243∠120° zijn zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, …, 4. Bepaal het reële deel van z₂.

w = 243∠120°n = 5k = 2
Re(z₂) =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
10 V50 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 10 µFI

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 10 V (rms), 50 Hz. Vind de effectieve stroom I.

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 10 µF
I = A
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
VfR = 50 ΩL = 200 mHC = 0,1 µF

Een serie-RLC-schakeling heeft R = 50 Ω, L = 200 mH en C = 0,1 µF. Vind de kwaliteitsfactor Q bij resonantie.

R = 50 ΩL = 200 mHC = 0,1 µF
Q =
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
P = 23 kWQSφ

Een eenfasige motor neemt 23 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,75 uit een voeding van 230 V. Vind de lijnstroom I.

P = 23 kWpf = 0,75V = 230 V
I = A
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

Een eenfasige belasting neemt 30 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,8 uit een voeding van 400 V, 50 Hz. Een parallel geschakelde condensator verhoogt de arbeidsfactor tot 0,92. Vind de nieuwe lijnstroom Inew.

P = 30 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
C = 47 pF+−8 VL = 10 mHiL​

Een condensator van 47 pF, opgeladen tot 20 V, oscilleert met een ideale spoel van 10 mH. Bepaal de energie WL die in de spoel is opgeslagen op het moment dat de condensatorspanning 8 V is, in nJ.

C = 47 pFV0 = 20 VvC = 8 V
WL = nJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
C = 47 nFR = 10 ΩL = 470 µH

Een opgeladen condensator van 47 nF ontlaadt over een spoel van 470 µH met een totale serieweerstand van 10 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 = 470 µHC = 47 nFR = 10 Ω
n =
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 480 VIL​ = 120 Acos φ = 0,88inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 120 A op uit een net met een lijnspanning van 480 V. De arbeidsfactor is 0,88 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 480 VIL = 120 Acos φ = 0,88
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 120 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 0,9 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. De condensatoren zijn in ster geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 120 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​5 Vt = 0R = 20 ΩL150 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 90% van zijn eindwaarde? Vind t.

Vs = 5 VR = 20 ΩL = 150 mH
t = ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​12 Vt = 0R = 6,8 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 5 V

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 5 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Hoe lang duurt het voordat vC 7,8 V bereikt? Vind t.

Vs = 12 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 5 V
t = ms
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​25 ΩAIs​2 ABRL​4 ΩIL​

Een belasting RL = 4 Ω is aangesloten over a–b. Gebruik een Thévenin-equivalent om het vermogen PL in de belasting te vinden.

V1 = 36 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 4 ΩRL = 4 Ω
PL = W
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​R = 22 kΩC = 10 nFvout​

Het getoonde RC-laagdoorlaatfilter heeft R = 22 kΩ, C = 10 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 3,6 kHz aangelegd. Bepaal de faseverschuiving φ van vout ten opzichte van vin, in graden.

R = 22 kΩC = 10 nFf = 3,6 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) = 56/(s(s + 1)(s + 9)). Bepaal de versterkingsmarge GM in dB.

L(s) = 56/(s(s + 1)(s + 9))
GM = dB

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: A (2 + j4)

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| = |z|/0,5, arg(z/w) = arg z − (−90)°

Het punt

z/w = 2 + j4 → A

Antwoord

A (2 + j4)
2.Complexe getallen

Antwoord: Re(z₂) = −2,934

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

2431/5 = 3

Argument van de wortel

θ₂ = (120° + 360°·2)/5 = 168°

Rechthoekige vorm

z₂ = 3·(cos 168° + j sin 168°) = −2,934 + j0,6237
Re(z₂) = −2,934

Antwoord

Re(z₂) = −2,934

De 5 wortels liggen op de cirkel met straal 3, 72° uit elkaar.

3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: I = 0,04163 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,25 = 78,54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·10·10⁻⁶) = 318,3 Ω

Impedantie

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (−239,8)²) = 240,2 Ω

Stroom

Door elk element van een serieschakeling loopt dezelfde stroom.

I = V/|Z| = 10/240,2 = 0,04163 A

Antwoord

I = 0,04163 A
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: Q = 28,28

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·√(0,2·0,1·10⁻⁶)) = 1125 Hz

Kwaliteitsfactor

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/50)·√(0,2/(0,1·10⁻⁶)) = 28,28

Antwoord

Q = 28,28
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: I = 133,3 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.

Lijnstroom

Alleen het werkelijke deel van het vermogen doet werk, dus deel door de arbeidsfactor.

I = P/(V·cos φ) = 23000/(230·0,75) = 133,3 A

Antwoord

I = 133,3 A
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Inew = 81,52 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 voor en na

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

Q1 = P·tan φ1 = 30·tan(36,87°) = 22,5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(23,07°) = 12,78 kvar
QC = Q1 − Q2 = 9,72 kvar

Nieuwe lijnstroom

Inew = P/(V·cos φ2) = 30000/(400·0,92) = 81,52 A

Antwoord

Inew = 81,52 A
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: WL = 7,896 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 × 10⁻¹¹·20² = 9,4 × 10⁻⁹ J

Energie die in de condensator overblijft

½·4,7 × 10⁻¹¹·8² = 1,504 × 10⁻⁹ J

Energie in de spoel

WL = 7,896 × 10⁻⁹ J = 7,896 nJ

Antwoord

WL = 7,896 nJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: n = 2,206

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 = 2·0,00047·ln 2/10 = 6,516 × 10⁻⁵ s

Aantal perioden

n = t·f0 = 6,516 × 10⁻⁵·33863 = 2,206

Antwoord

n = 2,206

Snelle formule: n = Q·ln 2/π met Q = 10.

9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 87,79 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 = √3·480·120 = 99,77 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 99,77·0,88 = 87,79 kW

Antwoord

P = 87,79 kW
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 1279 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 = 120·tan(acos 0,7) = 120·1,02 = 122,4 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 64,31 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) = 21435/(314,2·230,9²) = 1279 µF

Antwoord

Cph = 1279 µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 17,27 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 = 150 mH / 20 Ω = 7,5 ms
i(∞) = Vs/R = 5/20 = 0,25 A

Los op naar de tijd

0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −7,5·ln(0,1) = 17,27 ms

Antwoord

t = 17,27 ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 347,4 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.

Beginwaarde, eindwaarde, tijdconstante

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

vC(0) = 5 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 100 µF = 680 ms
vC(t) = 12 + (5 − 12)·e−t/τ

Los op naar de tijd

7,8 = 12 + (−7)·e−t/τ → e−t/τ = (7,8 − 12)/(5 − 12) = 0,6
t = τ·ln((5 − 12)/(7,8 − 12)) = 680·ln(1,667) = 347,4 ms

Antwoord

t = 347,4 ms
13.Thévenin en Norton

Antwoord: IN = 0,5 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​ = 2 ΩR3​ = 12 ΩKORTSLUITINGR2​4 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 = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 12 = 13,33 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​4 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) = 10·4/(2+4) = 6,667 V
IN​0,5 ARth​13,33 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 = 6,667/13,33 = 0,5 A
14.Thévenin en Norton

Antwoord: PL = 45,45 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​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩKORTSLUITINGR2​25 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 = 8·25/(8+25) = 6,061 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,061 + 4 = 10,06 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​25 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) = 27,27 + 2·6,061 = 39,39 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 39,39 + 2·4 = 47,39 V
Rth​ = 10,06 Ω+−Vth​47,39 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) = 47,39/(10,06 + 4) = 3,371 A
PL = IL²·RL = 3,371²·4 = 45,45 W
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: φ = −78,64 °

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 = 1/(RC) = 1/(22000·1 × 10⁻⁸) = 4545 rad/s
fc = 723,4 Hz → f/fc = 3600/723,4 = 4,976

Fase

φ = − atan(4,976) = −78,64°

Antwoord

φ = −78,64°
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: GM = 4,121 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/1)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(1·9) = 3 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 81)) = K/(1·9·(1 + 9)) = K/90

Versterkingsmarge

GM = 20·log₁₀(90/56) = 4,121 dB

Antwoord

GM = 4,121 dB

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