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 = −9 − j4 in exponentiële vorm r·ejθ. Geef θ in radialen, tussen −π en π.

z = −9 − j4
θ = rad
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Eén wortel van z³ − z² − 100 = 0 is z₁ = −2 + j4. De coëfficiënten zijn reëel. Bepaal de reële wortel r.

z₁ = −2 + j4
r =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
100 V60 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 10 µF

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 100 V (rms), 60 Hz. Vind de fasehoek φ van de impedantie, in graden (positief als de stroom achterloopt op de spanning).

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 10 µF
φ = °
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
10 Vf0​R = 2 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF

Een serie-RLC-schakeling wordt gevoed door een bron van 10 V (rms) waarvan de frequentie is ingesteld op de resonantiefrequentie van de schakeling. Vind de effectieve spanning VL over de spoel.

V = 10 V (rms)R = 2 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
VL = V
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
120 VZ7 + j24 ΩI

Een belasting met impedantie Z = 7 + j24 Ω is aangesloten op een eenfasige voeding van 120 V (rms). Vind het schijnbaar vermogen S.

V = 120 VZ = 7 + j24 Ω
S = VA
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

Een eenfasige belasting neemt 10 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,65 uit een voeding van 400 V, 50 Hz. Een parallel geschakelde condensator verhoogt de arbeidsfactor tot 0,98. Vind de nieuwe lijnstroom Inew.

P = 10 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 10 mHC = 47 pF

In een ideale LC-schakeling met L = 10 mH en C = 47 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 = 10 mHC = 47 pF
t = µs
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
V2 Ω47 µH22 nF100 mA

Een serie-RLC-schakeling (R = 2 Ω, L = 47 µH, C = 22 nF) wordt bij resonantie aangestuurd met een stroomamplitude van 100 mA. Bepaal de energie Ecycle die in R per periode wordt gedissipeerd, in nJ.

R = 2 ΩL = 47 µHC = 22 nFIm = 100 mA
Ecycle = nJ
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M30 kW, η = 93%cos φ = 0,86

Een driefasige inductiemotor levert bij vollast 30 kW mechanisch vermogen. Bij deze belasting is het rendement 93% en de arbeidsfactor 0,86 inductief. Het net heeft een lijnspanning van 690 V. Vind de lijnstroom IL.

Pout = 30 kWη = 93%cos φ = 0,86VL = 690 V
IL = A
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 100 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,72 uit een net van 690 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 = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​6 Vt = 0R = 68 ΩL100 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 50% van zijn eindwaarde? Vind t.

Vs = 6 VR = 68 ΩL = 100 mH
t = ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​6 Vt = 0R = 10 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 24 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Hoe lang duurt het voordat vC 13,2 V bereikt? Vind t.

Vs = 6 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 24 V
t = ms
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩARL​4 ΩIL​B

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 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩRL = 4 Ω
IL = A
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAIs​2 ABRL​30 ΩIL​

Een belasting RL = 30 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 AR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩRL = 30 Ω
IL = A
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​C = 47 nFR = 3,3 kΩvout​

Het getoonde RC-hoogdoorlaatfilter heeft R = 3,3 kΩ, C = 47 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 4,1 kHz aangelegd. Bepaal de faseverschuiving φ van vout ten opzichte van vin, in graden.

R = 3,3 kΩC = 47 nFf = 4,1 kHz
φ = °
16.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = K/(s(s + 3)(s + 5)). Bepaal de versterking K die een versterkingsmarge van 20 dB geeft.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 5))GM = 20 dB
K =

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: θ = −2,723 rad

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.

Modulus

r = √(81 + 16) = 9,849

Argument in radialen

θ = −156° = −156·π/180 = −2,723 rad

Exponentiële vorm

z = 9,849·e−j2,723

Antwoord

θ = −2,723 rad
2.Complexe getallen

Antwoord: r = 5

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 = −2 − j4
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·(−2)·z + ((−2)² + 4²) = z² + 4z + 20

Splits de kwadratische factor af

z³ − z² − 100 = (z² + 4z + 20)(z − 5)

Reële wortel

r = 5

Antwoord

r = 5

Controleer met de som van de wortels: z₁ + z₂ + r = −4 + 5 = 1 = −(−1).

3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: φ = −85,89 °

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 = 377·0,15 = 56,55 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω

Impedantie

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (−208,7)²) = 209,2 Ω

Fasehoek

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−208,7/15) = −85,89°

Antwoord

φ = −85,89°
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: VL = 476,7 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/√(0,02·2,2·10⁻⁶) = 4767 rad/s
I = V/R = 10/2 = 5 A

Spanning over de spoel

XL = ω₀L = 4767·0,02 = 95,35 Ω
VL = I·XL = 5·95,35 = 476,7 V

Antwoord

VL = 476,7 V

Dit is Q = 47,67 keer de voedingsspanning.

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: S = 576 VA

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.

Stroom

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 120/25 = 4,8 A

Schijnbaar vermogen

S = V·I = 120·4,8 = 576 VA

Antwoord

S = 576 VA
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Inew = 25,51 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 = 10·tan(49,46°) = 11,69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(11,48°) = 2,031 kvar
QC = Q1 − Q2 = 9,661 kvar

Nieuwe lijnstroom

Inew = P/(V·cos φ2) = 10000/(400·0,98) = 25,51 A

Antwoord

Inew = 25,51 A
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: t = 1,077 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√(0,01·4,7 × 10⁻¹¹) = 4,308 µs

Kwart periode

t = T/4 = 1,077 µs

Antwoord

t = 1,077 µs
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: Ecycle = 63,89 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 × 10⁻⁵·0,1² = 2,35 × 10⁻⁷ J

Kwaliteitsfactor

Q = (1/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/2,2 × 10⁻⁸) = 23,11

Verloren energie per periode

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·2,35 × 10⁻⁷/23,11 = 6,389 × 10⁻⁸ J = 63,89 nJ
controle: ½·0,1²·2/156516 = 6,389 × 10⁻⁸ J

Antwoord

Ecycle = 63,89 nJ
9.Draaistroomvermogen

Antwoord: IL = 31,39 A

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.

Opgenomen elektrisch vermogen

Pin = Pout/η = 30/0,93 = 32,26 kW

Lijnstroom

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 32258/(√3·690·0,86) = 31,39 A

Antwoord

IL = 31,39 A
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 424,7 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 0,72) = 100·0,9639 = 96,39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,95) = 100·0,3287 = 32,87 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 63,52 kvar

Capaciteit per fase

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

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21172/(314,2·398,4²) = 424,7 µF

Antwoord

Cph = 424,7 µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 1,019 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 = 100 mH / 68 Ω = 1,471 ms
i(∞) = Vs/R = 6/68 = 0,08824 A

Los op naar de tijd

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −1,471·ln(0,5) = 1,019 ms

Antwoord

t = 1,019 ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 623,1 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 10 kΩ · 68 µF = 680 ms
vC(t) = 6 + (24 − 6)·e−t/τ

Los op naar de tijd

13,2 = 6 + (18)·e−t/τ → e−t/τ = (13,2 − 6)/(24 − 6) = 0,4
t = τ·ln((24 − 6)/(13,2 − 6)) = 680·ln(2,5) = 623,1 ms

Antwoord

t = 623,1 ms
13.Thévenin en Norton

Antwoord: IL = 1,241 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​ = 6 ΩKORTSLUITINGR2​8 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 6 = 7,6 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​8 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) = 18·8/(2+8) = 14,4 V
Rth​ = 7,6 Ω+−Vth​14,4 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) = 14,4/(7,6 + 4) = 1,241 A
14.Thévenin en Norton

Antwoord: IL = 0,7946 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​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩKORTSLUITINGR2​20 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 4 = 7,333 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​20 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) = 15 + 2·3,333 = 21,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,67 + 2·4 = 29,67 V
Rth​ = 7,333 Ω+−Vth​29,67 VRL​30 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) = 29,67/(7,333 + 30) = 0,7946 A
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: φ = 14,05 °

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/(3300·4,7 × 10⁻⁸) = 6447 rad/s
fc = 1026 Hz → f/fc = 4100/1026 = 3,996

Fase

φ = 90° − atan(3,996) = 14,05°

Antwoord

φ = 14,05°
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: K = 12

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/3)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(3·5) = 3,873 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 25)) = K/(3·5·(3 + 5)) = K/120

Vereiste versterking

120/K = 1020/20 = 10
K = 120/10 = 12

Antwoord

K = 12

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