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
ReIm22−2−244−4−4θz

Schrijf z = 5∠65° in rechthoekige vorm a + jb en geef het imaginaire deel b.

r = 5θ = 65°
b =
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Eén wortel van z³ − 4z² + 13z + 50 = 0 is z₁ = 3 + j4. De coëfficiënten zijn reëel. Bepaal de reële wortel r.

z₁ = 3 + j4
r =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
100 V100 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 100 µFI

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 100 V (rms), 100 Hz. Vind de effectieve stroom I.

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 100 µF
I = A
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
100 V60 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 100 V (rms), 60 Hz. Vind de resonantiefrequentie f0 van de schakeling.

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
400 V121 kW, 0,7226 kW, 0,95I

Twee belastingen zijn parallel aangesloten op een eenfasige voeding van 400 V: een belasting van 21 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,7 en een belasting van 26 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,95. Vind de totale arbeidsfactor cos φ die de voeding ziet.

V = 400 VP1 = 21 kW, pf1 = 0,7 inductiefP2 = 26 kW, pf2 = 0,95 inductief
cos φ =
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
230 V60 HzRs​ = 8 ΩXs​ = j10 ΩZL​ = ?

Een bron van 230 V (rms), 60 Hz heeft een inwendige impedantie Zs = 8 + j10 Ω. De belastingsimpedantie ZL kan vrij worden gekozen. Vind het maximale werkelijk vermogen Pmax dat aan de belasting kan worden geleverd.

Vs = 230 V (rms)f = 60 HzZs = 8 + j10 Ω
Pmax = W
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
C = 470 pF+−16 VL = 2,2 mHiL​

Een condensator van 470 pF, opgeladen tot 20 V, oscilleert met een ideale spoel van 2,2 mH. Bepaal de energie WL die in de spoel is opgeslagen op het moment dat de condensatorspanning 16 V is, in nJ.

C = 470 pFV0 = 20 VvC = 16 V
WL = nJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
f|I|0,7071f0​ = ?1 kHz1,1 kHzBW

De halfvermogensfrequenties van een resonantiekromme zijn 1 kHz en 1,1 kHz. Bepaal de resonantiefrequentie als hun meetkundig gemiddelde, en daarna de kwaliteitsfactor Q.

f1 = 1 kHzf2 = 1,1 kHz
Q =
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 415 VIL​ = 100 Acos φ = 0,75inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 100 A op uit een net met een lijnspanning van 415 V. De arbeidsfactor is 0,75 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 415 VIL = 100 Acos φ = 0,75
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 100 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,75 uit een net van 415 V (lijnspanning), 60 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,98 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. De condensatoren zijn in ster geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 100 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​15 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 4,7 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 = 1000 ms.

Vs = 15 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 220 µFt = 1000 ms
vC = V
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​12 Vt = 0R = 2,2 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 6 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Hoe lang duurt het voordat vC 8,4 V bereikt? Vind t.

Vs = 12 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 6 V
t = ms
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​25 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 36 VIs = 4 AR1 = 12 ΩR2 = 25 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​R = 22 kΩC = 22 nFvout​

Het getoonde RC-laagdoorlaatfilter heeft R = 22 kΩ, C = 22 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 66 Hz aangelegd. Bepaal de faseverschuiving φ van vout ten opzichte van vin, in graden.

R = 22 kΩC = 22 nFf = 66 Hz
φ = °
16.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 120/(s(s + 4)). Bepaal de versterkingsdoorsnijfrequentie ωc, waar |L(jω)| = 1.

L(s) = 120/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: b = 4,532

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 = 5·cos(65°) = 2,113
b = 5·sin(65°) = 4,532

Rechthoekige vorm

z = 2,113 + j4,532
b = 4,532

Antwoord

b = 4,532
2.Complexe getallen

Antwoord: r = −2

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.

Geconjugeerd paar

z₂ = 3 − j4
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·3·z + (3² + 4²) = z² − 6z + 25

Splits de kwadratische factor af

z³ − 4z² + 13z + 50 = (z² − 6z + 25)(z + 2)

Reële wortel

r = −2

Antwoord

r = −2

Controleer met de som van de wortels: z₁ + z₂ + r = 6 + (−2) = 4 = −(−4).

3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: I = 1,237 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,15 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Impedantie

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (78,33)²) = 80,85 Ω

Stroom

Door elk element van een serieschakeling loopt dezelfde stroom.

I = V/|Z| = 100/80,85 = 1,237 A

Antwoord

I = 1,237 A
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: f0 = 519,1 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·√(0,02·4,7·10⁻⁶)) = 519,1 Hz

Antwoord

f0 = 519,1 Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: cos φ = 0,8432

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 = 21·tan(arccos 0,7) = 21,42 kvar
Q2 = 26·tan(arccos 0,95) = 8,546 kvar

Totalen

P = 21 + 26 = 47 kW
Q = 21,42 + 8,546 = 29,97 kvar
S = √(47² + 29,97²) = 55,74 kVA

Totale arbeidsfactor

cos φ = P/S = 47/55,74 = 0,8432 inductief

Antwoord

cos φ = 0,8432
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Pmax = 1653 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* = 8 − j10 Ω

Maximaal vermogen

I = Vs/(2Rs) = 230/16 = 14,38 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·8) = 1653 W

Antwoord

Pmax = 1653 W
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 × 10⁻¹⁰·20² = 9,4 × 10⁻⁸ J

Energie die in de condensator overblijft

½·4,7 × 10⁻¹⁰·16² = 6,016 × 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: Q = 10,49

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).

Resonantiefrequentie

f0 = √(1000·1100) = 1049 Hz

Bandbreedte

BW = 1100 − 1000 = 100 Hz

Kwaliteitsfactor

Q = 1049/100 = 10,49

Antwoord

Q = 10,49
9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 53,91 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 = √3·415·100 = 71,88 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 71,88·0,75 = 53,91 kW

Antwoord

P = 53,91 kW
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 1046 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 = 100·tan(acos 0,75) = 100·0,8819 = 88,19 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,98) = 100·0,2031 = 20,31 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 67,89 kvar

Capaciteit per fase

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

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 22629/(377·239,6²) = 1046 µF

Antwoord

Cph = 1046 µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: vC = 3,639 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 = 10·4,7/(10 + 4,7) = 3,197 kΩ
vC(∞) = 15·4,7/(10 + 4,7) = 4,796 V

Tijdconstante

τ = Rth·C = 3,197·220 = 703,4 ms

Laadcurve

vC(t) = 4,796·(1 − e−1000/703,4) = 3,639 V

Antwoord

vC = 3,639 V
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 52,82 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) = 6 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 47 µF = 103,4 ms
vC(t) = 12 + (6 − 12)·e−t/τ

Los op naar de tijd

8,4 = 12 + (−6)·e−t/τ → e−t/τ = (8,4 − 12)/(6 − 12) = 0,6
t = τ·ln((6 − 12)/(8,4 − 12)) = 103,4·ln(1,667) = 52,82 ms

Antwoord

t = 52,82 ms
13.Thévenin en Norton

Antwoord: Vth = 5,143 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​ = 8 ΩR3​ = 2 ΩKORTSLUITINGR2​6 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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 2 = 5,429 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​6 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) = 12·6/(8+6) = 5,143 V
14.Thévenin en Norton

Antwoord: Vth = −32,11 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​ = 12 ΩR3​ = 6 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 = 12·25/(12+25) = 8,108 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,108 + 6 = 14,11 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​25 ΩAIs​4 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) = 24,32 + (−4)·8,108 = −8,108 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −8,108 + (−4)·6 = −32,11 V
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: φ = −11,35 °

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/(22000·2,2 × 10⁻⁸) = 2066 rad/s
fc = 328,8 Hz → f/fc = 66/328,8 = 0,2007

Fase

φ = − atan(0,2007) = −11,35°

Antwoord

φ = −11,35°
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: ωc = 10,6 rad/s

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.

Versterkingsdoorsnijding

ω⁴ + 16ω² − 14400 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·14400))/2 = 112,3
ωc = 10,6 rad/s

Antwoord

ωc = 10,6 rad/s

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