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
ReIm11−1−122−2−233−3−3zABCD

Het diagram toont z = −1 − j. Met w = 0,5∠90°, klik op het punt dat z/w voorstelt.

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

De wortels van zⁿ = w met n = 5 en w = 243∠90° zijn zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, …, 4. Bepaal het reële deel van z₂.

w = 243∠90°n = 5k = 2
Re(z₂) =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
24 V60 HzR = 25 ΩL = 150 mHI

Een weerstand en een spoel zijn parallel aangesloten op een voeding van 24 V (rms), 60 Hz. Vind de grootte van de impedantie |Z|.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 150 mH
|Z| = Ω
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
50 V100 HzR1​ = 10 ΩR2​ = 40 ΩC = 22 µF

Een weerstand R1 staat in serie met een parallelschakeling van R2 en een condensator C, aangesloten op een voeding van 50 V (rms), 100 Hz. Vind de grootte van de impedantie |Z|.

V = 50 V (rms)f = 100 HzR1 = 10 ΩR2 = 40 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
120 VZ9 + j12 ΩI

Een belasting met impedantie Z = 9 + j12 Ω is aangesloten op een eenfasige voeding van 120 V (rms). Vind het werkelijk vermogen P dat ze opneemt.

V = 120 VZ = 9 + j12 Ω
P = W
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

Een eenfasige belasting neemt 25 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,8 uit een voeding van 240 V, 60 Hz. Een parallel geschakelde condensator verhoogt de arbeidsfactor tot 0,9. Vind het blindvermogen QC dat de condensator moet leveren.

P = 25 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9V = 240 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
f|I|0,7071100 kHzf1​ = ?f2​BW

Een serie-RLC-schakeling resoneert bij 100 kHz met Q = 2. Bepaal de onderste halfvermogensfrequentie f1 exact, in kHz.

f0 = 100 kHzQ = 2
f1 = kHz
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
V10 ΩLC = ?

Ontwerp een serie-RLC-filter met een totale weerstand van 10 Ω, een resonantiefrequentie van 100 kHz en een bandbreedte van 5 kHz. Bepaal de capaciteit C in nF.

R = 10 Ωf0 = 100 kHzBW = 5 kHz
C = nF
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M75 kW, η = 95%cos φ = 0,84

Een driefasige inductiemotor levert bij vollast 75 kW mechanisch vermogen. Bij deze belasting is het rendement 95% en de arbeidsfactor 0,84 inductief. Het net heeft een lijnspanning van 480 V. Vind de lijnstroom IL.

Pout = 75 kWη = 95%cos φ = 0,84VL = 480 V
IL = A
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 200 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,72 uit een net van 690 V (lijnspanning), 60 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 driehoek geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 200 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
R = 100 Ωt = 0L10 mHi(t)

De spoel voert een constante stroom van 2 A. Op t = 0 sluit de schakelaar de kring via R en wordt de bron verwijderd, zodat de spoelstroom via R uitdooft. Vind de stroom i op t = 1 ms.

i(0) = 2 AR = 100 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​12 Vopent op t = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 3,3 kΩC10 µF+−vC​

De schakelaar is al lang gesloten, dus de schakeling is in de stationaire toestand. Op t = 0 gaat de schakelaar open. Vind de condensatorspanning vC op t = 25 ms.

Vs = 12 VR1 = 1 kΩR2 = 3,3 kΩC = 10 µFt = 25 ms
vC = V
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAIs​2,5 ABRL​12 ΩIL​

Een belasting RL = 12 Ω is aangesloten over a–b. Gebruik een Thévenin-equivalent om het vermogen PL in de belasting te vinden.

V1 = 6 VIs = 2,5 AR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩRL = 12 Ω
PL = W
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
|H| (dB)0,010,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 0,5

Bepaal de exacte grootte |G(jω)| van G(s) = 3600/((s + 15)(s + 20)) bij ω = 0,5 rad/s, in dB.

G(s) = 3600/((s + 15)(s + 20))ω = 0,5 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 750/(s(s + 7)(s + 10)). Bepaal de versterkingsmarge GM in dB.

L(s) = 750/(s(s + 7)(s + 10))
GM = dB

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: A (−2 + j2)

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 + j2 → A

Antwoord

A (−2 + j2)
2.Complexe getallen

Antwoord: Re(z₂) = −2,853

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 = (90° + 360°·2)/5 = 162°

Rechthoekige vorm

z₂ = 3·(cos 162° + j sin 162°) = −2,853 + j0,9271
Re(z₂) = −2,853

Antwoord

Re(z₂) = −2,853

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

3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: |Z| = 22,87 Ω

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|.

Reactantie

XL = ωL = 2π·60·0,15 = 56,55 Ω

Takstromen

Beide takken zijn rechtstreeks op de voeding aangesloten, dus elke tak krijgt de volle spanning V.

IR = V/R = 24/25 = 0,96 A
IX = V/XL = 24/56,55 = 0,4244 A

Totale stroom

De stroom door de weerstand is in fase met V en de reactieve stroom is 90° uit fase, dus ze tellen op als de zijden van een rechthoekige driehoek.

I = √(IR² + IX²) = √(0,96² + 0,4244²) = 1,05 A

Impedantie

|Z| = V/I = 24/1,05 = 22,87 Ω

Antwoord

|Z| = 22,87 Ω
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: |Z| = 44,02 Ω

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|.

Reactantie

XC = 1/(2π·100·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω

Parallelschakeling

Vermenigvuldig teller en noemer met de complex geconjugeerde om Zp te splitsen in een reëel en een imaginair deel.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 30,63 − j16,94 Ω

Totale impedantie

Z = 10 + 30,63 − j16,94 = 40,63 − j16,94 Ω
|Z| = √(40,63² + 16,94²) = 44,02 Ω

Antwoord

|Z| = 44,02 Ω
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: P = 576 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.

Stroom

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 120/15 = 8 A

Werkelijk vermogen

P = I²·R = 8²·9 = 576 W

Antwoord

P = 576 W
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: QC = 6,642 kvar

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 = 25·tan(36,87°) = 18,75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(25,84°) = 12,11 kvar
QC = Q1 − Q2 = 6,642 kvar

Antwoord

QC = 6,642 kvar
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: f1 = 78,08 kHz

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).

Wortelterm

√(1 + 1/(4·2²)) = 1,031

Onderste halfvermogensfrequentie

f1 = 100000·(1,031 − 0,25) = 78078 Hz = 78,08 kHz

Antwoord

f1 = 78,08 kHz

De bovenste is f₂ = 128,1 kHz; controle: f₂ − f₁ = 50 kHz = f₀/Q.

8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: C = 7,958 nF

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).

Zelfinductie uit de bandbreedte

L = R/(2π·BW) = 10/(2π·5000) = 0,0003183 H

Capaciteit uit de resonantiefrequentie

C = 1/((2π·100000)²·0,0003183) = 7,958 × 10⁻⁹ F = 7,958 nF

Antwoord

C = 7,958 nF

Q = f₀/BW = 20.

9.Draaistroomvermogen

Antwoord: IL = 113 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 = 75/0,95 = 78,95 kW

Lijnstroom

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 78947/(√3·480·0,84) = 113 A

Antwoord

IL = 113 A
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 178,1 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 = 200·tan(acos 0,72) = 200·0,9639 = 192,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 95,91 kvar

Capaciteit per fase

In een driehoeksbank is elke condensator aangesloten tussen twee lijnen.

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 31969/(377·690²) = 178,1 µF

Antwoord

Cph = 178,1 µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: i = 9,08 × 10⁻⁵ 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.

Tijdconstante

τ = L/R = 10 mH / 100 Ω = 0,1 ms

Afname van de stroom

i(t) = 2·e−1/0,1 = 9,08 × 10⁻⁵ A

Antwoord

i = 9,08 × 10⁻⁵ A
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: vC = 4,317 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.

Beginspanning van de condensator

In de stationaire toestand is de condensator een open circuit, dus R₁ en R₂ vormen een spanningsdeler. De condensatorspanning kan niet verspringen als de schakelaar opent.

vC(0) = 12·3,3/(1 + 3,3) = 9,209 V

Tijdconstante nadat de schakelaar opent

τ = R2·C = 3,3·10 = 33 ms

Ontlading

vC(t) = 9,209·e−25/33 = 4,317 V

Antwoord

vC = 4,317 V
13.Thévenin en Norton

Antwoord: Rth = 8 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​ = 4 ΩR3​ = 6 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 6 = 8 Ω
14.Thévenin en Norton

Antwoord: PL = 14,41 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​ = 3 ΩR3​ = 10 ΩKORTSLUITINGR2​3 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 = 3·3/(3+3) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 10 = 11,5 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​3 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) = 3 + (−2,5)·1,5 = −0,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0,75 + (−2,5)·10 = −25,75 V
Rth​ = 11,5 Ω−+Vth​25,75 VRL​12 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) = −25,75/(11,5 + 12) = −1,096 A
PL = IL²·RL = −1,096²·12 = 14,41 W
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: |G(jω)| = 21,58 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.

Vermenigvuldig de groottes

|G(j0,5)| = 3600/(√(0,5² + 15²)·√(0,5² + 20²)) = 3600/(15,01·20,01) = 11,99

Resultaat

20·log₁₀(11,99) = 21,58 dB

Antwoord

|G(jω)| = 21,58 dB
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: GM = 4,01 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/7)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(7·10) = 8,367 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 100)) = K/(7·10·(7 + 10)) = K/1190

Versterkingsmarge

GM = 20·log₁₀(1190/750) = 4,01 dB

Antwoord

GM = 4,01 dB

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