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

Schrijf z = 5∠25° in rechthoekige vorm a + jb en geef het reële deel a.

r = 5θ = 25°
a =
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Los z² + 2z + 17 = 0 op. De wortels zijn a ± jb; bepaal b > 0.

p = 2q = 17
b =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
120 V200 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 10 µFI

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 120 V (rms), 200 Hz. Vind de arbeidsfactor cos φ van de schakeling.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 10 µF
cos φ =
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
VfR = 10 ΩL = 5 mHC = 10 µF

Een serie-RLC-schakeling heeft R = 10 Ω, L = 5 mH en C = 10 µF. Vind de bandbreedte B (de breedte van de band tussen de halfvermogensfrequenties), in Hz.

R = 10 ΩL = 5 mHC = 10 µF
B = Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
P = 8 kWQSφ

Een eenfasige motor neemt 8 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,6 uit een voeding van 240 V. Vind de lijnstroom I.

P = 8 kWpf = 0,6V = 240 V
I = A
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

Een eenfasige belasting neemt 35 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,8 uit een voeding van 400 V, 60 Hz. Een parallel geschakelde condensator verhoogt de arbeidsfactor tot 0,95. Vind het blindvermogen QC dat de condensator moet leveren.

P = 35 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
V22 Ω22 mH100 nF

Een serie-RLC-schakeling heeft R = 22 Ω, L = 22 mH en C = 100 nF. Bepaal zijn bandbreedte BW in Hz.

R = 22 ΩL = 22 mHC = 100 nF
BW = Hz
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
V22 Ω1 mH22 nF50 mA

Een serie-RLC-schakeling (R = 22 Ω, L = 1 mH, C = 22 nF) wordt bij resonantie aangestuurd met een stroomamplitude van 50 mA. Bepaal de energie Ecycle die in R per periode wordt gedissipeerd, in nJ.

R = 22 ΩL = 1 mHC = 22 nFIm = 50 mA
Ecycle = nJ
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 480 VZ = 8 + j6 Ωper fase

Een symmetrische, in driehoek geschakelde belasting met een impedantie van 8 + j6 Ω per fase is aangesloten op een symmetrisch draaistroomnet met een lijnspanning van 480 V. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 480 VZ = 8 + j6 Ω per fase
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Een symmetrische driefasige belasting neemt 80 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een net van 415 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. Vind het totale blindvermogen QC dat de condensatorbank moet leveren, in kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​24 Vt = 0R = 100 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 90% van zijn eindwaarde? Vind t.

Vs = 24 VR = 100 ΩL = 68 mH
t = ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​24 Vt = 0R = 6,8 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 15 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Hoe lang duurt het voordat vC 20,4 V bereikt? Vind t.

Vs = 24 VR = 6,8 kΩC = 33 µFvC(0) = 15 V
t = ms
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩARL​8 ΩIL​B

Een belasting RL = 8 Ω is aangesloten over a–b. Vervang de rest van de schakeling door het Thévenin-equivalent en vind de belastingsstroom IL.

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩRL = 8 Ω
IL = A
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 18 VIs = 4 AR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 1

Bepaal de exacte grootte |G(jω)| van G(s) = 800/((s + 10)(s + 20)) bij ω = 1 rad/s, in dB.

G(s) = 800/((s + 10)(s + 20))ω = 1 rad/s
|G(jω)| = dB
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 + 9)(s + 10)). Bepaal de versterking K die een versterkingsmarge van 15 dB geeft.

L(s) = K/(s(s + 9)(s + 10))GM = 15 dB
K =

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: a = 4,532

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.

Componenten

a = 5·cos(25°) = 4,532
b = 5·sin(25°) = 2,113

Rechthoekige vorm

z = 4,532 + j2,113
a = 4,532

Antwoord

a = 4,532
2.Complexe getallen

Antwoord: b = 4

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 = 4 − 68 = −64 < 0

Abc-formule

z = (−2 ± j√64)/2 = −1 + j4, −1 − j4

Antwoord

b = 4

Antwoord

b = 4
3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: cos φ = 0,1269

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

XL = 314,2 Ω, XC = 79,58 Ω

Impedantie

|Z| = √(30² + (234,6)²) = 236,5 Ω

Arbeidsfactor

cos φ = R/|Z| = 30/236,5 = 0,1269
De schakeling is inductief, dus de arbeidsfactor is inductief (naijlend).

Antwoord

cos φ = 0,1269
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: B = 318,3 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|.

Resonantiefrequentie

f0 = 1/(2π·√(0,005·10·10⁻⁶)) = 711,8 Hz

Kwaliteitsfactor

Q vergelijkt de reactantie bij resonantie met de weerstand: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,005/(10·10⁻⁶)) = 2,236

Bandbreedte

B = f0/Q = 711,8/2,236 = 318,3 Hz

Antwoord

B = 318,3 Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: I = 55,56 A

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.

Lijnstroom

Alleen het werkelijke deel van het vermogen doet werk, dus deel door de arbeidsfactor.

I = P/(V·cos φ) = 8000/(240·0,6) = 55,56 A

Antwoord

I = 55,56 A
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: QC = 14,75 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 = 35·tan(36,87°) = 26,25 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(18,19°) = 11,5 kvar
QC = Q1 − Q2 = 14,75 kvar

Antwoord

QC = 14,75 kvar
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: BW = 159,2 Hz

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).

Bandbreedte in rad/s

R/L = 22/0,022 = 1000 rad/s

Bandbreedte in Hz

BW = 1000/(2π) = 159,2 Hz = 159,2 Hz

Antwoord

BW = 159,2 Hz

Met f₀ = 3,393 kHz geeft dit Q = 21,32.

8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: Ecycle = 810,4 nJ

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).

Opgeslagen energie

W = ½·0,001·0,05² = 1,25 × 10⁻⁶ J

Kwaliteitsfactor

Q = (1/22)·√(0,001/2,2 × 10⁻⁸) = 9,691

Verloren energie per periode

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·1,25 × 10⁻⁶/9,691 = 8,104 × 10⁻⁷ J = 810,4 nJ
controle: ½·0,05²·22/33932 = 8,104 × 10⁻⁷ J

Antwoord

Ecycle = 810,4 nJ
9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 55,3 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 = VL = 480 V

Fasestroom

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 480/10 = 48 A

Totaal werkelijk vermogen

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

P = 3·Iph²·R = 3·48²·8 = 55,3 kW

Antwoord

P = 55,3 kW

Controle: cos φ = R/|Z| = 0,8, en √3·VL·IL·cos φ geeft hetzelfde vermogen.

10.Draaistroomvermogen

Antwoord: QC = 42,87 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 = 80·tan(acos 0,7) = 80·1,02 = 81,62 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 42,87 kvar

Antwoord

QC = 42,87 kvar
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 1,566 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 / 100 Ω = 0,68 ms
i(∞) = Vs/R = 24/100 = 0,24 A

Los op naar de tijd

0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −0,68·ln(0,1) = 1,566 ms

Antwoord

t = 1,566 ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 205,6 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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 33 µF = 224,4 ms
vC(t) = 24 + (15 − 24)·e−t/τ

Los op naar de tijd

20,4 = 24 + (−9)·e−t/τ → e−t/τ = (20,4 − 24)/(15 − 24) = 0,4
t = τ·ln((15 − 24)/(20,4 − 24)) = 224,4·ln(2,5) = 205,6 ms

Antwoord

t = 205,6 ms
13.Thévenin en Norton

Antwoord: IL = 0,4225 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​2 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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 5 = 6,2 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​2 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) = 15·2/(3+2) = 6 V
Rth​ = 6,2 Ω+−Vth​6 VRL​8 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) = 6/(6,2 + 8) = 0,4225 A
14.Thévenin en Norton

Antwoord: Vth = −51,67 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​ = 10 ΩR3​ = 12 ΩKORTSLUITINGR2​2 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 = 10·2/(10+2) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 12 = 13,67 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAIs​4 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 + (−4)·1,667 = −3,667 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −3,667 + (−4)·12 = −51,67 V
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: |G(jω)| = 11,99 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(j1)| = 800/(√(1² + 10²)·√(1² + 20²)) = 800/(10,05·20,02) = 3,975

Resultaat

20·log₁₀(3,975) = 11,99 dB

Antwoord

|G(jω)| = 11,99 dB
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: K = 304,1

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/9)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(9·10) = 9,487 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 81)·√(ω² + 100)) = K/(9·10·(9 + 10)) = K/1710

Vereiste versterking

1710/K = 1015/20 = 5,623
K = 1710/5,623 = 304,1

Antwoord

K = 304,1

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