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 = 2∠−35° en z₂ = 2∠65°, bepaal het reële deel van w = z₁·z₂.

z₁ = 2∠−35°z₂ = 2∠65°
Re(w) =
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂

De wortels van zⁿ = w met n = 3 en w = 8∠−120° zijn zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2. Bepaal het imaginaire deel van z₀.

w = 8∠−120°n = 3k = 0
Im(z₀) =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
50 V200 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 10 µF

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 50 V (rms), 200 Hz. Vind de fasehoek φ van de impedantie, in graden (positief als de stroom achterloopt op de spanning).

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 10 µF
φ = °
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
120 V500 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 22 µF

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 120 V (rms), 500 Hz. Vind de resonantiefrequentie f0 van de schakeling.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 22 µF
f0 = Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
P = 23 kWQ = ?Sφ

Een eenfasige motor neemt 23 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,6 uit een voeding van 400 V. Vind het blindvermogen Q dat hij opneemt.

P = 23 kWpf = 0,6V = 400 V
Q = kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P1​ = 72 kWQ1​S1​φ

Een eenfasige transformator van 200 kVA voedt een belasting van 72 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 = 200 kVAP1 = 72 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
C = 47 pF+−6 VL = 1 mHiL​

Een condensator van 47 pF, opgeladen tot 10 V, oscilleert met een ideale spoel van 1 mH. Bepaal de energie WL die in de spoel is opgeslagen op het moment dat de condensatorspanning 6 V is, in nJ.

C = 47 pFV0 = 10 VvC = 6 V
WL = nJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
C = 47 nFR = 10 ΩL = 2,2 mH

Een opgeladen condensator van 47 nF ontlaadt over een spoel van 2,2 mH met een totale serieweerstand van 10 Ω, zodat de oscillatie langzaam uitdooft. De amplitude neemt af als e−Rt/(2L). Hoeveel perioden n verstrijken voordat de amplitude is gehalveerd? (De verliezen zijn klein, dus de frequentie is f₀.)

L = 2,2 mHC = 47 nFR = 10 Ω
n =
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M75 kW, η = 92%cos φ = 0,84

Een driefasige inductiemotor levert bij vollast 75 kW mechanisch vermogen. Bij deze belasting is het rendement 92% en de arbeidsfactor 0,84 inductief. Het net heeft een lijnspanning van 400 V. Vind de lijnstroom IL.

Pout = 75 kWη = 92%cos φ = 0,84VL = 400 V
IL = A
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 300 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een net van 415 V (lijnspanning), 50 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,98 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. De condensatoren zijn in driehoek geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 300 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​20 Vt = 0R = 10 ΩL68 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 95% van zijn eindwaarde? Vind t.

Vs = 20 VR = 10 ΩL = 68 mH
t = ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​12 Vt = 0R = 2,2 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 10 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Hoe lang duurt het voordat vC 11,4 V bereikt? Vind t.

Vs = 12 VR = 2,2 kΩC = 33 µFvC(0) = 10 V
t = ms
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAIs​3 ABab

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

V1 = 5 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
|H| (dB)11101010010010001000−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 30

Bepaal de fase ∠G(jω) van G(s) = 21(s + 10)/(s(s + 18)) bij ω = 30 rad/s, in graden.

G(s) = 21(s + 10)/(s(s + 18))ω = 30 rad/s
∠G(jω) = °
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) = K/(s(s + 7)(s + 9)). Bepaal de versterking K die een versterkingsmarge van 4 dB geeft.

L(s) = K/(s(s + 7)(s + 9))GM = 4 dB
K =

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: Re(w) = 3,464

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| = 2 · 2 = 4
θ = −35° + 65° = 30°

Rechthoekige vorm

Re(w) = 4·cos(30°) = 3,464
Im(w) = 4·sin(30°) = 2
Re(w) = 3,464

Antwoord

Re(w) = 3,464
2.Complexe getallen

Antwoord: Im(z₀) = −1,286

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

81/3 = 2

Argument van de wortel

θ₀ = (−120° + 360°·0)/3 = −40°

Rechthoekige vorm

z₀ = 2·(cos −40° + j sin −40°) = 1,532 − j1,286
Im(z₀) = −1,286

Antwoord

Im(z₀) = −1,286

De 3 wortels liggen op de cirkel met straal 2, 120° uit elkaar.

3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: φ = 66,54 °

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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,1 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79,58 Ω

Impedantie

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (46,09)²) = 50,24 Ω

Fasehoek

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(46,09/20) = 66,54°

Antwoord

φ = 66,54°
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: f0 = 151,7 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·√(0,05·22·10⁻⁶)) = 151,7 Hz

Antwoord

f0 = 151,7 Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Q = 30,67 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.

Hoek

φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333

Blindvermogen

Q = P·tan φ = 23·1,333 = 30,67 kvar

Antwoord

Q = 30,67 kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: ΔP = 117,7 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 = 72·tan(arccos 0,75) = 63,5 kvar

Grootste totale werkelijk vermogen

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 63,5²) = 189,7 kW

Extra werkelijk vermogen

ΔP = 189,7 − 72 = 117,7 kW

Antwoord

ΔP = 117,7 kW
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: WL = 1,504 nJ

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

½·4,7 × 10⁻¹¹·10² = 2,35 × 10⁻⁹ J

Energie die in de condensator overblijft

½·4,7 × 10⁻¹¹·6² = 8,46 × 10⁻¹⁰ J

Energie in de spoel

WL = 1,504 × 10⁻⁹ J = 1,504 nJ

Antwoord

WL = 1,504 nJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: n = 4,774

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).

Halfwaardetijd van de amplitude

t = 2·0,0022·ln 2/10 = 0,000305 s

Aantal perioden

n = t·f0 = 0,000305·15652 = 4,774

Antwoord

n = 4,774

Snelle formule: n = Q·ln 2/π met Q = 21,64.

9.Draaistroomvermogen

Antwoord: IL = 140,1 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 = 75/0,92 = 81,52 kW

Lijnstroom

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 81522/(√3·400·0,84) = 140,1 A

Antwoord

IL = 140,1 A
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 1510 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 = 300·tan(acos 0,7) = 300·1,02 = 306,1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,98) = 300·0,2031 = 60,92 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 245,1 kvar

Capaciteit per fase

In een driehoeksbank is elke condensator aangesloten tussen twee lijnen.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 81715/(314,2·415²) = 1510 µF

Antwoord

Cph = 1510 µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 20,37 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 = 68 mH / 10 Ω = 6,8 ms
i(∞) = Vs/R = 20/10 = 2 A

Los op naar de tijd

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −6,8·ln(0,05) = 20,37 ms

Antwoord

t = 20,37 ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 87,41 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) = 10 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 33 µF = 72,6 ms
vC(t) = 12 + (10 − 12)·e−t/τ

Los op naar de tijd

11,4 = 12 + (−2)·e−t/τ → e−t/τ = (11,4 − 12)/(10 − 12) = 0,3
t = τ·ln((10 − 12)/(11,4 − 12)) = 72,6·ln(3,333) = 87,41 ms

Antwoord

t = 87,41 ms
13.Thévenin en Norton

Antwoord: Vth = 1,667 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​ = 15 ΩR3​ = 8 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 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 8 = 10,5 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 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) = 10·3/(15+3) = 1,667 V
14.Thévenin en Norton

Antwoord: IN = −2,545 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​ = 5 ΩKORTSLUITINGR2​5 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 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 5 = 6,875 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAIs​3 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) = 3,125 + (−3)·1,875 = −2,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −2,5 + (−3)·5 = −17,5 V
IN​2,545 ARth​6,875 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 = −17,5/6,875 = −2,545 A
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: ∠G(jω) = −77,47 °

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.

Tel de hoeken op

∠G = atan(30/10) − 90° − atan(30/18) = 71,57° − 90° − 59,04°

Resultaat

∠G(j30) = −77,47°

Antwoord

∠G(jω) = −77,47°
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: K = 636

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/9) = 1 → ω180 = √(7·9) = 7,937 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 81)) = K/(7·9·(7 + 9)) = K/1008

Vereiste versterking

1008/K = 104/20 = 1,585
K = 1008/1,585 = 636

Antwoord

K = 636

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