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

Bepaal het argument θ van z = −4 + j4 in graden, als hoofdwaarde tussen −180° en 180°.

z = −4 + j4
θ = °
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm11−1−122−2−233−3−3θz

Bepaal het imaginaire deel van (2 − j3)³.

z = 2 − j3n = 3
Im(z³) =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
50 V1000 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 50 V (rms), 1000 Hz. Vind de effectieve stroom I.

V = 50 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
120 V500 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 80 ΩC = 2,2 µF

Een weerstand R1 staat in serie met een parallelschakeling van R2 en een condensator C, aangesloten op een voeding van 120 V (rms), 500 Hz. Vind de grootte van de impedantie |Z|.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR1 = 20 ΩR2 = 80 ΩC = 2,2 µF
|Z| = Ω
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
240 V121 kW, 0,85217 kW, 1I

Twee belastingen zijn parallel aangesloten op een eenfasige voeding van 240 V: een belasting van 21 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,85 en een verwarmingselement van 17 kW (arbeidsfactor 1). Vind de totale arbeidsfactor cos φ die de voeding ziet.

V = 240 VP1 = 21 kW, pf1 = 0,85 inductiefP2 = 17 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
12 V1000 HzRs​ = 2 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

Een bron van 12 V (rms), 1000 Hz heeft een inwendige impedantie Zs = 2 + j30 Ω. De belastingsimpedantie ZL kan vrij worden gekozen. Vind het maximale werkelijk vermogen Pmax dat aan de belasting kan worden geleverd.

Vs = 12 V (rms)f = 1000 HzZs = 2 + j30 Ω
Pmax = W
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
C = 220 nF+−9 VL = 1 µHiL​

Een condensator van 220 nF, opgeladen tot 12 V, oscilleert met een ideale spoel van 1 µH. Bepaal de energie WL die in de spoel is opgeslagen op het moment dat de condensatorspanning 9 V is, in µJ.

C = 220 nFV0 = 12 VvC = 9 V
WL = µJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
VR = ?22 mHC

Een serieresonantiekring gebruikt een spoel van 22 mH. Welke totale serieweerstand R geeft een bandbreedte van 100 kHz?

L = 22 mHBW = 100 kHz
R = Ω
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 208 VNZ = 12 + j5 Ωper fase

Een symmetrische, in ster geschakelde belasting met een impedantie van 12 + j5 Ω per fase is aangesloten op een symmetrisch draaistroomnet met een lijnspanning van 208 V. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 208 VZ = 12 + j5 Ω per fase
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 75 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 = 75 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​15 Vt = 0R = 10 ΩL150 mHi(t)

De spoel voert geen stroom voordat de schakelaar op t = 0 sluit. Vind de energie W die op t = 15 ms in de spoel is opgeslagen, in mJ.

Vs = 15 VR = 10 ΩL = 150 mHt = 15 ms
W = mJ
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​6 VR1​ = 47 ΩR2​ = 47 Ωsluit op t = 0L47 mHi(t)

De schakelaar over R2 is al lang open, dus de spoelstroom is constant. Op t = 0 sluit de schakelaar en sluit R2 kort. Vind de spoelstroom i op t = 1 ms.

Vs = 6 VR1 = 47 ΩR2 = 47 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩARL​3 ΩIL​B

Een belasting RL = 3 Ω is aangesloten over a–b. Vervang de rest van de schakeling door het Thévenin-equivalent en vind de belastingsstroom IL.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩRL = 3 Ω
IL = A
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAIs​2,5 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 = 2,5 AR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩRL = 30 Ω
IL = A
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​L = 5 mHC = 0,47 µFR = 2 Ωvout​

In het getoonde serie-RLC-banddoorlaatfilter staat de uitgang over R = 2 Ω, met L = 5 mH en C = 0,47 µF. Bepaal de middenfrequentie (resonantiefrequentie) f0 in Hz.

R = 2 ΩL = 5 mHC = 0,47 µF
f0 = Hz
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) = K/(s(s + 2)(s + 6)). Bepaal de versterking K die een versterkingsmarge van 8 dB geeft.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 6))GM = 8 dB
K =

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: θ = 135 °

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.

Kwadrant

a = −4, b = 4 → II

Referentiehoek

α = atan(4/4) = 45°

Argument

θ = 180° − α = 135°

Antwoord

θ = 135°

In poolvorm is z = 5,657∠135°.

2.Complexe getallen

Antwoord: Im(z³) = −9

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.

Machten stap voor stap

z² = (2 − j3)(2 − j3) = −5 − j12
z³ = (−5 − j12)(2 − j3) = −46 − j9

Controleer met De Moivre

z = 3,606∠−56,31° → z³ = 46,87∠−168,9°
Im(z³) = −9

Antwoord

Im(z³) = −9
3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: I = 0,159 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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,05 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·10·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Impedantie

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (298,2)²) = 314,6 Ω

Stroom

Door elk element van een serieschakeling loopt dezelfde stroom.

I = V/|Z| = 50/314,6 = 0,159 A

Antwoord

I = 0,159 A
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: |Z| = 88,05 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·500·2,2·10⁻⁶) = 144,7 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 = 61,27 − j33,88 Ω

Totale impedantie

Z = 20 + 61,27 − j33,88 = 81,27 − j33,88 Ω
|Z| = √(81,27² + 33,88²) = 88,05 Ω

Antwoord

|Z| = 88,05 Ω
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: cos φ = 0,9461

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 0,85) = 13,01 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totalen

P = 21 + 17 = 38 kW
Q = 13,01 + 0 = 13,01 kvar
S = √(38² + 13,01²) = 40,17 kVA

Totale arbeidsfactor

cos φ = P/S = 38/40,17 = 0,9461 inductief

Antwoord

cos φ = 0,9461
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Pmax = 18 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* = 2 − j30 Ω

Maximaal vermogen

I = Vs/(2Rs) = 12/4 = 3 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 12²/(4·2) = 18 W

Antwoord

Pmax = 18 W
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: WL = 6,93 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 × 10⁻⁷·12² = 1,584 × 10⁻⁵ J

Energie die in de condensator overblijft

½·2,2 × 10⁻⁷·9² = 8,91 × 10⁻⁶ J

Energie in de spoel

WL = 6,93 × 10⁻⁶ J = 6,93 µJ

Antwoord

WL = 6,93 µJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: R = 13823 Ω

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).

Seriebandbreedte

BW = R/(2πL)

Weerstand

R = 2π·0,022·100000 = 13823 Ω

Antwoord

R = 13823 Ω
9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 3,072 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.

Fasespanning

Vph = 208/√3 = 120,1 V

Fasestroom

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
Iph = 120,1/13 = 9,238 A

Totaal werkelijk vermogen

Alleen het resistieve deel van elke impedantie neemt werkelijk vermogen op.

P = 3·Iph²·R = 3·9,238²·12 = 3,072 kW

Antwoord

P = 3,072 kW

Controle: cos φ = R/|Z| = 0,9231, en √3·VL·IL·cos φ geeft hetzelfde vermogen.

10.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 318,5 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 = 75·tan(acos 0,72) = 75·0,9639 = 72,29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,95) = 75·0,3287 = 24,65 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 47,64 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) = 15879/(314,2·398,4²) = 318,5 µF

Antwoord

Cph = 318,5 µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: W = 67,43 mJ

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 / 10 Ω = 15 ms
i(∞) = Vs/R = 15/10 = 1,5 A

Stroom op het gegeven tijdstip

i(t) = 1,5·(1 − e−15/15) = 0,9482 A

Opgeslagen energie

W = ½·L·i² = ½·150·0,9482² = 67,43 mJ

Antwoord

W = 67,43 mJ
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: i = 0,1042 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.

Beginwaarde, eindwaarde, tijdconstante

Vóór t = 0 zitten beide weerstanden in de kring; daarna overbrugt de gesloten schakelaar R₂.

i(0) = 6/(47 + 47) = 0,06383 A
i(∞) = 6/47 = 0,1277 A
τ = L/R = 47/47 = 1 ms
i(t) = 0,1277 + (0,06383 − 0,1277)·e−t/τ

Stroom op het gegeven tijdstip

i(1) = 0,1277 + (−0,06383)·e−1/1 = 0,1042 A

Antwoord

i = 0,1042 A
13.Thévenin en Norton

Antwoord: IL = 1,429 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​ = 3 ΩR3​ = 6 ΩKORTSLUITINGR2​3 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 = 3·3/(3+3) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 6 = 7,5 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​3 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) = 30·3/(3+3) = 15 V
Rth​ = 7,5 Ω+−Vth​15 VRL​3 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) = 15/(7,5 + 3) = 1,429 A
14.Thévenin en Norton

Antwoord: IL = 0,8291 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​ = 15 ΩR3​ = 2 ΩKORTSLUITINGR2​15 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 = 15·15/(15+15) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 2 = 9,5 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​15 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) = 9 + 2,5·7,5 = 27,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,75 + 2,5·2 = 32,75 V
Rth​ = 9,5 Ω+−Vth​32,75 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) = 32,75/(9,5 + 30) = 0,8291 A
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: f0 = 3283 Hz

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/√(0,005·4,7 × 10⁻⁷) = 20628 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3283 Hz

Antwoord

f0 = 3283 Hz
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: K = 38,22

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/6) = 1 → ω180 = √(2·6) = 3,464 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 36)) = K/(2·6·(2 + 6)) = K/96

Vereiste versterking

96/K = 108/20 = 2,512
K = 96/2,512 = 38,22

Antwoord

K = 38,22

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