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
ReIm55−5−51010−10−10z₁z₂w

Gegeven z₁ = 4∠40° en z₂ = 3∠20°, bepaal het imaginaire deel van w = z₁·z₂.

z₁ = 4∠40°z₂ = 3∠20°
Im(w) =
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

Los z² − 4z + 8 = 0 op. De wortels zijn a ± jb; bepaal b > 0.

p = −4q = 8
b =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
Vf0​ = 60 HzRL = ?C = 2,2 µF

Een serie-RLC-schakeling met C = 2,2 µF moet resoneren bij 60 Hz. Vind de benodigde zelfinductie L.

f0 = 60 HzC = 2,2 µF
L = mH
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
120 V1000 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 10 µF

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 120 V (rms), 1000 Hz. Vind de resonantiefrequentie f0 van de schakeling.

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 10 µF
f0 = Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
P = 23 kWQ = ?Sφ

Een eenfasige motor neemt 23 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een voeding van 240 V. Vind het blindvermogen Q dat hij opneemt.

P = 23 kWpf = 0,7V = 240 V
Q = kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

Een eenfasige belasting neemt 30 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,65 uit een voeding van 240 V, 60 Hz. Een parallel geschakelde condensator verhoogt de arbeidsfactor tot 0,9. Vind de nieuwe lijnstroom Inew.

P = 30 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
V5 Ω47 µH10 nF

Een serie-RLC-schakeling heeft R = 5 Ω, L = 47 µH en C = 10 nF. Bepaal zijn bandbreedte BW in kHz.

R = 5 ΩL = 47 µHC = 10 nF
BW = kHz
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
C = 47 pFr = 20 ΩL = 2,2 mH

Een parallelle kring bestaat uit een condensator van 47 pF en een spoel van 2,2 mH met een wikkelweerstand van 20 Ω. Bij resonantie gedraagt hij zich als een weerstand, zijn dynamische weerstand RD = L/(C·r). Bepaal RD in kΩ.

L = 2,2 mHC = 47 pFr = 20 Ω
RD = kΩ
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M22 kW, η = 90%cos φ = 0,85

Een driefasige inductiemotor levert bij vollast 22 kW mechanisch vermogen. Bij deze belasting is het rendement 90% en de arbeidsfactor 0,85 inductief. Het net heeft een lijnspanning van 480 V. Vind de lijnstroom IL.

Pout = 22 kWη = 90%cos φ = 0,85VL = 480 V
IL = A
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Een symmetrische driefasige belasting neemt 60 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een net van 480 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. Vind het totale blindvermogen QC dat de condensatorbank moet leveren, in kvar.

P = 60 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​10 Vt = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 10 kΩC33 µF+−vC​

De bron Vₛ laadt de condensator op via R₁, en R₂ staat parallel aan C. De condensator is ongeladen als de schakelaar op t = 0 sluit. Vind de condensatorspanning vC op t = 50 ms.

Vs = 10 VR1 = 4,7 kΩR2 = 10 kΩC = 33 µFt = 50 ms
vC = V
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C10 µF+−vC​

Een timer begint op t = 0 een ongeladen condensator via een weerstand op te laden uit een voeding van 5 V. Hij moet schakelen als de condensatorspanning 3,75 V bereikt, precies 100 ms na de start. Vind met C = 10 µF de benodigde weerstand R.

Vs = 5 VVth = 3,75 VT = 100 msC = 10 µF
R = kΩ
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAIs​0,5 ABab

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

V1 = 30 VIs = 0,5 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 4

Bepaal de exacte grootte |G(jω)| van G(s) = 171/((s + 3)(s + 19)) bij ω = 4 rad/s, in dB.

G(s) = 171/((s + 3)(s + 19))ω = 4 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) = 88/(s(s + 1)(s + 10)). Bepaal de faseomslagfrequentie ω180, waar ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 88/(s(s + 1)(s + 10))
ω180 = rad/s

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: Im(w) = 10,39

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 = 12
θ = 40° + 20° = 60°

Rechthoekige vorm

Re(w) = 12·cos(60°) = 6
Im(w) = 12·sin(60°) = 10,39
Im(w) = 10,39

Antwoord

Im(w) = 10,39
2.Complexe getallen

Antwoord: b = 2

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 = 16 − 32 = −16 < 0

Abc-formule

z = (4 ± j√16)/2 = 2 + j2, 2 − j2

Antwoord

b = 2

Antwoord

b = 2
3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: L = 3198 mH

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|.

Resonantievoorwaarde

Bij resonantie heffen de inductieve en capacitieve reactantie elkaar op: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·60 = 377 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(377²·2,2·10⁻⁶) = 3198 mH

Antwoord

L = 3198 mH
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: f0 = 225,1 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·√(0,05·10·10⁻⁶)) = 225,1 Hz

Antwoord

f0 = 225,1 Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Q = 23,46 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(0,7) = 45,57°, tan φ = 1,02

Blindvermogen

Q = P·tan φ = 23·1,02 = 23,46 kvar

Antwoord

Q = 23,46 kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Inew = 138,9 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.

Blindvermogen voor en na

Het werkelijk vermogen P verandert niet; alleen het blindvermogen uit het net verandert.

Q1 = P·tan φ1 = 30·tan(49,46°) = 35,07 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(25,84°) = 14,53 kvar
QC = Q1 − Q2 = 20,54 kvar

Nieuwe lijnstroom

Inew = P/(V·cos φ2) = 30000/(240·0,9) = 138,9 A

Antwoord

Inew = 138,9 A
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: BW = 16,93 kHz

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 = 5/4,7 × 10⁻⁵ = 106383 rad/s

Bandbreedte in Hz

BW = 106383/(2π) = 16931 Hz = 16,93 kHz

Antwoord

BW = 16,93 kHz

Met f₀ = 232,2 kHz geeft dit Q = 13,71.

8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: RD = 2340 kΩ

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).

Dynamische weerstand

RD = 0,0022/(4,7 × 10⁻¹¹·20) = 2,34 × 10⁶ Ω = 2340 kΩ

Controle met Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 342,1, Q²·r = 2,34 × 10⁶ Ω

Antwoord

RD = 2340 kΩ
9.Draaistroomvermogen

Antwoord: IL = 34,59 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 = 22/0,9 = 24,44 kW

Lijnstroom

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 24444/(√3·480·0,85) = 34,59 A

Antwoord

IL = 34,59 A
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: QC = 41,49 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 = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 41,49 kvar

Antwoord

QC = 41,49 kvar
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: vC = 2,568 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.

Thévenin-equivalent gezien vanaf de condensator

Sluit de bron kort om Rth te vinden; laat de condensator open om de spanning te vinden waarop hij uitkomt.

Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·10/(4,7 + 10) = 3,197 kΩ
vC(∞) = 10·10/(4,7 + 10) = 6,803 V

Tijdconstante

τ = Rth·C = 3,197·33 = 105,5 ms

Laadcurve

vC(t) = 6,803·(1 − e−50/105,5) = 2,568 V

Antwoord

vC = 2,568 V
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: R = 7,213 kΩ

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.

Benodigde tijdconstante

3,75 = 5·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(5/(5 − 3,75))
τ = 100/1,386 = 72,13 ms

Weerstand

kΩ maal µF geeft milliseconden.

R = τ/C = 72,13/10 = 7,213 kΩ

Antwoord

R = 7,213 kΩ
13.Thévenin en Norton

Antwoord: Rth = 12,29 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​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩKORTSLUITINGR2​15 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 8 = 12,29 Ω
14.Thévenin en Norton

Antwoord: IN = 2,658 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​10 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 5 = 7,308 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​10 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) = 23,08 + (−0,5)·2,308 = 21,92 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,92 + (−0,5)·5 = 19,42 V
IN​2,658 ARth​7,308 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 = 19,42/7,308 = 2,658 A
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: |G(jω)| = 4,917 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(j4)| = 171/(√(4² + 3²)·√(4² + 19²)) = 171/(5·19,42) = 1,761

Resultaat

20·log₁₀(1,761) = 4,917 dB

Antwoord

|G(jω)| = 4,917 dB
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: ω180 = 3,162 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/1)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(1·10) = 3,162 rad/s

Antwoord

ω180 = 3,162 rad/s

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