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
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂w

Gegeven z₁ = 4∠150° en z₂ = 3∠−50°, bepaal het imaginaire deel van w = z₁/z₂.

z₁ = 4∠150°z₂ = 3∠−50°
Im(w) =
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm11−1−122−2−233−3−3ABCD

Precies één van de punten A–D is een wortel van z³ = 27∠0°. Klik erop.

w = 27∠0°n = 3
  1. 1A (3∠−30°)
  2. 2B (3∠0°)
  3. 3C (1,5∠0°)
  4. 4D (3∠30°)
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
10 V60 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 10 V (rms), 60 Hz. Vind de effectieve stroom I.

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
2 Vf0​R = 10 ΩL = 5 mHC = 1 µF

Een serie-RLC-schakeling wordt gevoed door een bron van 2 V (rms) waarvan de frequentie is ingesteld op de resonantiefrequentie van de schakeling. Vind de effectieve spanning VL over de spoel.

V = 2 V (rms)R = 10 ΩL = 5 mHC = 1 µF
VL = V
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
240 VZ5 + j12 ΩI

Een belasting met impedantie Z = 5 + j12 Ω is aangesloten op een eenfasige voeding van 240 V (rms). Vind het schijnbaar vermogen S.

V = 240 VZ = 5 + j12 Ω
S = VA
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P1​ = 7 kWQ1​S1​φ

Een eenfasige transformator van 25 kVA voedt een belasting van 7 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,75. Hoeveel extra werkelijk vermogen ΔP kan er als resistieve belasting (arbeidsfactor 1) worden bijgeplaatst voordat de transformator zijn nominale kVA bereikt?

Smax = 25 kVAP1 = 7 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
C = 2,2 µF+−15 VL = 470 µHiL​

Een condensator van 2,2 µF, opgeladen tot 20 V, oscilleert met een ideale spoel van 470 µH. Bepaal de energie WL die in de spoel is opgeslagen op het moment dat de condensatorspanning 15 V is, in µJ.

C = 2,2 µFV0 = 20 VvC = 15 V
WL = µJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
V10 ΩLC = ?

Ontwerp een serie-RLC-filter met een totale weerstand van 10 Ω, een resonantiefrequentie van 50 kHz en een bandbreedte van 5 kHz. Bepaal de capaciteit C in nF.

R = 10 Ωf0 = 50 kHzBW = 5 kHz
C = nF
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 415 VIL​ = 10 Acos φ = 0,9inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 10 A op uit een net met een lijnspanning van 415 V. De arbeidsfactor is 0,9 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 415 VIL = 10 Acos φ = 0,9
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Een symmetrische driefasige belasting neemt 150 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,8 uit een net van 480 V (lijnspanning), 60 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,92 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. Vind het totale blindvermogen QC dat de condensatorbank moet leveren, in kvar.

P = 150 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​10 Vt = 0R = 68 ΩL150 mHi(t)

De spoel voert geen stroom voordat de schakelaar op t = 0 sluit. Vind de stroom i op t = 5 ms.

Vs = 10 VR = 68 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​15 Vt = 0R = 2,2 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 8 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Hoe lang duurt het voordat vC 12,2 V bereikt? Vind t.

Vs = 15 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 8 V
t = ms
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​1,5 ABab

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

V1 = 9 VIs = 1,5 AR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​L = 2 mHC = 0,22 µFR = 5 Ωvout​

In het getoonde serie-RLC-banddoorlaatfilter staat de uitgang over R = 5 Ω, met L = 2 mH en C = 0,22 µF. Bepaal de kwaliteitsfactor Q.

R = 5 ΩL = 2 mHC = 0,22 µF
Q =
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) = 16/(s(s + 2)(s + 3)). Bepaal de faseomslagfrequentie ω180, waar ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 16/(s(s + 2)(s + 3))
ω180 = rad/s

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: Im(w) = −0,456

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 en argument van w

|w| = 4 / 3 = 1,333
θ = 150° − (−50)° = 200° → −160°

Rechthoekige vorm

Re(w) = 1,333·cos(−160°) = −1,253
Im(w) = 1,333·sin(−160°) = −0,456
Im(w) = −0,456

Antwoord

Im(w) = −0,456
2.Complexe getallen

Antwoord: B (3∠0°)

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 en argumenten van de wortels

|z| = 3
θ = 0°, 120°, −120°

Het punt

B = 3∠0°

Antwoord

B (3∠0°)
3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: I = 0,3186 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 = 377·0,02 = 7,54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Impedantie

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (−18,99)²) = 31,39 Ω

Stroom

Door elk element van een serieschakeling loopt dezelfde stroom.

I = V/|Z| = 10/31,39 = 0,3186 A

Antwoord

I = 0,3186 A
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: VL = 14,14 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/√(0,005·1·10⁻⁶) = 14142 rad/s
I = V/R = 2/10 = 0,2 A

Spanning over de spoel

XL = ω₀L = 14142·0,005 = 70,71 Ω
VL = I·XL = 0,2·70,71 = 14,14 V

Antwoord

VL = 14,14 V

Dit is Q = 7,071 keer de voedingsspanning.

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: S = 4431 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| = √(5² + 12²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 240/13 = 18,46 A

Schijnbaar vermogen

S = V·I = 240·18,46 = 4431 VA

Antwoord

S = 4431 VA
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: ΔP = 17,23 kW

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 de bestaande belasting

Q1 = 7·tan(arccos 0,75) = 6,173 kvar

Grootste totale werkelijk vermogen

Bij volle belasting is S = Smax, en Q verandert niet door de resistieve belasting.

P = √(Smax² − Q1²) = √(25² − 6,173²) = 24,23 kW

Extra werkelijk vermogen

ΔP = 24,23 − 7 = 17,23 kW

Antwoord

ΔP = 17,23 kW
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: WL = 192,5 µJ

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

½·2,2 × 10⁻⁶·20² = 0,00044 J

Energie die in de condensator overblijft

½·2,2 × 10⁻⁶·15² = 0,0002475 J

Energie in de spoel

WL = 0,0001925 J = 192,5 µJ

Antwoord

WL = 192,5 µJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: C = 31,83 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·50000)²·0,0003183) = 3,183 × 10⁻⁸ F = 31,83 nF

Antwoord

C = 31,83 nF

Q = f₀/BW = 10.

9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 6,469 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 = √3·415·10 = 7,188 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 7,188·0,9 = 6,469 kW

Antwoord

P = 6,469 kW
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: QC = 48,6 kvar

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 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,92) = 150·0,426 = 63,9 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 48,6 kvar

Antwoord

QC = 48,6 kvar
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: i = 0,1318 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 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 / 68 Ω = 2,206 ms
i(∞) = Vs/R = 10/68 = 0,1471 A

Stroom op het gegeven tijdstip

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,1471·(1 − e−5/2,206) = 0,1318 A

Antwoord

i = 0,1318 A
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 94,74 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 47 µF = 103,4 ms
vC(t) = 15 + (8 − 15)·e−t/τ

Los op naar de tijd

12,2 = 15 + (−7)·e−t/τ → e−t/τ = (12,2 − 15)/(8 − 15) = 0,4
t = τ·ln((8 − 15)/(12,2 − 15)) = 103,4·ln(2,5) = 94,74 ms

Antwoord

t = 94,74 ms
13.Thévenin en Norton

Antwoord: Vth = 14,4 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​ = 4 ΩR3​ = 15 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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 15 = 17,4 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 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) = 24·6/(4+6) = 14,4 V
14.Thévenin en Norton

Antwoord: IN = −1,091 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​ = 12 ΩR3​ = 2 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 = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 2 = 4,4 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​1,5 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) = 1,8 + (−1,5)·2,4 = −1,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −1,8 + (−1,5)·2 = −4,8 V
IN​1,091 ARth​4,4 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 = −4,8/4,4 = −1,091 A
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: Q = 19,07

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.

Resonantiefrequentie

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,002·2,2 × 10⁻⁷) = 47673 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7587 Hz

Kwaliteitsfactor

BW = R/L = 5/0,002 = 2500 rad/s = 397,9 Hz
Q = ω₀/BW = 47673/2500 = 19,07

Antwoord

Q = 19,07
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: ω180 = 2,449 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.

Faseomslag

(ω/2)·(ω/3) = 1 → ω180 = √(2·3) = 2,449 rad/s

Antwoord

ω180 = 2,449 rad/s

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