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
ReIm55−5−5θz

Bepaal het argument θ van z = −6 + j8 in graden, als hoofdwaarde tussen −180° en 180°.

z = −6 + j8
θ = °
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

De vergelijking z² + 8z + 25 = 0 heeft twee complexe wortels. Bepaal hun modulus |z|.

p = 8q = 25
|z| =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
120 V500 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 120 V (rms), 500 Hz. Vind de fasehoek φ van de impedantie, in graden (positief als de stroom achterloopt op de spanning).

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
φ = °
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
100 V100 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF

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

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
f0 = Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
230 V120 kW, 0,7215 kW, 0,95I

Twee belastingen zijn parallel aangesloten op een eenfasige voeding van 230 V: een belasting van 20 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,7 en een belasting van 15 kW met een capacitieve arbeidsfactor van 0,95. Vind de totale arbeidsfactor cos φ die de voeding ziet.

V = 230 VP1 = 20 kW, pf1 = 0,7 inductiefP2 = 15 kW, pf2 = 0,95 capacitief
cos φ =
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

Een eenfasige belasting neemt 20 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,6 uit een voeding van 230 V, 50 Hz. Een parallel geschakelde condensator verhoogt de arbeidsfactor tot 0,95. Vind het blindvermogen QC dat de condensator moet leveren.

P = 20 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,95V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 4,7 mHC = 100 pF

In een ideale LC-schakeling met L = 4,7 mH en C = 100 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 = 4,7 mHC = 100 pF
t = µs
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
f|I|0,7071f0​ = ?100 kHz250 kHzBW

De halfvermogensfrequenties van een resonantiekromme zijn 100 kHz en 250 kHz. Bepaal de resonantiefrequentie als hun meetkundig gemiddelde, en daarna de kwaliteitsfactor Q.

f1 = 100 kHzf2 = 250 kHz
Q =
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 400 VIL​ = 12 Acos φ = 0,88inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 12 A op uit een net met een lijnspanning van 400 V. De arbeidsfactor is 0,88 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 400 VIL = 12 Acos φ = 0,88
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 60 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,75 uit een net van 690 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. De condensatoren zijn in ster geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 60 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
R = 10 Ωt = 0L33 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 spanning vR over R op t = 5 ms.

i(0) = 2 AR = 10 ΩL = 33 mHt = 5 ms
vR = V
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​12 Vopent op t = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 2,2 kΩi2​C47 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 stroom i2 door R2 op t = 30 ms.

Vs = 12 VR1 = 2,2 kΩR2 = 2,2 kΩC = 47 µFt = 30 ms
i2 = mA
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 8 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAIs​0,5 ABRL​25 ΩIL​

Een belasting RL = 25 Ω is aangesloten over a–b. Gebruik een Thévenin-equivalent om het vermogen PL in de belasting te vinden.

V1 = 36 VIs = 0,5 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 25 ΩRL = 25 Ω
PL = W
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
|H| (dB)1101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 20

Bepaal de exacte grootte |G(jω)| van G(s) = 2550/((s + 10)(s + 15)) bij ω = 20 rad/s, in dB.

G(s) = 2550/((s + 10)(s + 15))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 152/(s(s + 4)). Bepaal de versterkingsdoorsnijfrequentie ωc, waar |L(jω)| = 1.

L(s) = 152/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: θ = 126,9 °

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 = −6, b = 8 → II

Referentiehoek

α = atan(8/6) = 53,13°

Argument

θ = 180° − α = 126,9°

Antwoord

θ = 126,9°

In poolvorm is z = 10∠126,9°.

2.Complexe getallen

Antwoord: |z| = 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.

Discriminant

p² − 4q = 64 − 100 = −36 < 0

Abc-formule

z = (−8 ± j√36)/2 = −4 + j3, −4 − j3

Antwoord

|z| = √((−4)² + 3²) = √25 = 5

Antwoord

|z| = 5
3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: φ = 77,38 °

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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Impedantie

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (89,35)²) = 91,57 Ω

Fasehoek

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(89,35/20) = 77,38°

Antwoord

φ = 77,38°
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: f0 = 239,9 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·√(0,2·2,2·10⁻⁶)) = 239,9 Hz

Antwoord

f0 = 239,9 Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: cos φ = 0,9146

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 = 20·tan(arccos 0,7) = 20,4 kvar
Q2 = −15·tan(arccos 0,95) = −4,93 kvar

Totalen

P = 20 + 15 = 35 kW
Q = 20,4 + (−4,93) = 15,47 kvar
S = √(35² + 15,47²) = 38,27 kVA

Totale arbeidsfactor

cos φ = P/S = 35/38,27 = 0,9146 inductief

Antwoord

cos φ = 0,9146
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: QC = 20,09 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 = 20·tan(53,13°) = 26,67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(18,19°) = 6,574 kvar
QC = Q1 − Q2 = 20,09 kvar

Antwoord

QC = 20,09 kvar
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√(0,0047·1 × 10⁻¹⁰) = 4,308 µs

Kwart periode

t = T/4 = 1,077 µs

Antwoord

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

Antwoord: Q = 1,054

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 = √(100000·250000) = 158114 Hz

Bandbreedte

BW = 250000 − 100000 = 150000 Hz

Kwaliteitsfactor

Q = 158114/150000 = 1,054

Antwoord

Q = 1,054
9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 7,316 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 = √3·400·12 = 8,314 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 8,314·0,88 = 7,316 kW

Antwoord

P = 7,316 kW
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 152,4 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 = 60·tan(acos 0,75) = 60·0,8819 = 52,92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,92) = 60·0,426 = 25,56 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 27,36 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9118/(377·398,4²) = 152,4 µF

Antwoord

Cph = 152,4 µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: vR = 4,395 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.

Tijdconstante

τ = L/R = 33 mH / 10 Ω = 3,3 ms

Afname van de stroom

i(t) = 2·e−5/3,3 = 0,4395 A
vR = R·i = 10·0,4395 = 4,395 V

Antwoord

vR = 4,395 V
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: i2 = 2,04 mA

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) = 12·2,2/(2,2 + 2,2) = 6 V

Tijdconstante nadat de schakelaar opent

τ = R2·C = 2,2·47 = 103,4 ms

Ontlading

vC(t) = 6·e−30/103,4 = 4,489 V
i2 = vC/R2 = 4,489/2,2 = 2,04 mA

Antwoord

i2 = 2,04 mA
13.Thévenin en Norton

Antwoord: Rth = 12,67 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​ = 10 ΩR3​ = 6 ΩKORTSLUITINGR2​20 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 6 = 12,67 Ω
14.Thévenin en Norton

Antwoord: PL = 7,695 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​ = 8 ΩR3​ = 25 ΩKORTSLUITINGR2​6 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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 25 = 28,43 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAIs​0,5 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) = 15,43 + 0,5·3,429 = 17,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 17,14 + 0,5·25 = 29,64 V
Rth​ = 28,43 Ω+−Vth​29,64 VRL​25 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) = 29,64/(28,43 + 25) = 0,5548 A
PL = IL²·RL = 0,5548²·25 = 7,695 W
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: |G(jω)| = 13,18 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(j20)| = 2550/(√(20² + 10²)·√(20² + 15²)) = 2550/(22,36·25) = 4,562

Resultaat

20·log₁₀(4,562) = 13,18 dB

Antwoord

|G(jω)| = 13,18 dB
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: ωc = 12,01 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 − 23104 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·23104))/2 = 144,2
ωc = 12,01 rad/s

Antwoord

ωc = 12,01 rad/s

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