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
ReIm0,50,5−0,5−0,511−1−11,51,5−1,5−1,5z₁z₂w

Gegeven z₁ = 2∠125° en z₂ = 1,5∠−140°, bepaal het imaginaire deel van w = z₁/z₂.

z₁ = 2∠125°z₂ = 1,5∠−140°
Im(w) =
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm0,50,5−0,5−0,511−1−1z₁z₂

Eén wortel van z³ − 2z − 4 = 0 is z₁ = −1 + j. De coëfficiënten zijn reëel. Bepaal de reële wortel r.

z₁ = −1 + j
r =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
50 V200 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 47 µFI

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 50 V (rms), 200 Hz. Vind het werkelijk vermogen P dat uit de voeding wordt opgenomen.

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 47 µF
P = W
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
12 V50 HzR = 10 ΩL = 150 mHC = 100 µF

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 12 V (rms), 50 Hz. Vind de resonantiefrequentie f0 van de schakeling.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 10 ΩL = 150 mHC = 100 µF
f0 = Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
240 VR + jXP = 420 W2,5 A

Een inductieve belasting neemt 2,5 A en 420 W op uit een eenfasige voeding van 240 V (rms). Modelleer haar als een weerstand R in serie met een reactantie X. Vind X.

V = 240 VI = 2,5 AP = 420 W
X = Ω
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P1​ = 5 kWQ1​S1​φ

Een eenfasige transformator van 25 kVA voedt een belasting van 5 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,6. Hoeveel extra werkelijk vermogen ΔP kan er als resistieve belasting (arbeidsfactor 1) worden bijgeplaatst voordat de transformator zijn nominale kVA bereikt?

Smax = 25 kVAP1 = 5 kWpf1 = 0,6
ΔP = kW
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
C = 10 pF+−12 VL = 22 mHiL​

Een condensator van 10 pF, opgeladen tot 20 V, oscilleert met een ideale spoel van 22 mH. Bepaal de energie WL die in de spoel is opgeslagen op het moment dat de condensatorspanning 12 V is, in nJ.

C = 10 pFV0 = 20 VvC = 12 V
WL = nJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
C = 47 pFr = 5 ΩL = 470 µH

Een parallelle kring bestaat uit een condensator van 47 pF en een spoel van 470 µH met een wikkelweerstand van 5 Ω. Bij resonantie gedraagt hij zich als een weerstand, zijn dynamische weerstand RD = L/(C·r). Bepaal RD in kΩ.

L = 470 µHC = 47 pFr = 5 Ω
RD = kΩ
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 480 VIL​ = 150 Acos φ = 0,95inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 150 A op uit een net met een lijnspanning van 480 V. De arbeidsfactor is 0,95 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 480 VIL = 150 Acos φ = 0,95
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Een symmetrische driefasige belasting neemt 250 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,72 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 = 250 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​6 Vt = 0R = 10 ΩL220 mHi(t)

De spoel voert geen stroom voordat de schakelaar op t = 0 sluit. Vind de stroom i op t = 40 ms.

Vs = 6 VR = 10 ΩL = 220 mHt = 40 ms
i = A
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​6 Vt = 0R = 2,2 kΩC10 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 10,5 V bereikt? Vind t.

Vs = 6 VR = 2,2 kΩC = 10 µFvC(0) = 15 V
t = ms
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩARL​2 ΩIL​B

Een belasting RL = 2 Ω is aangesloten over a–b. Vervang de rest van de schakeling door het Thévenin-equivalent en vind de belastingsstroom IL.

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩRL = 2 Ω
IL = A
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAIs​2 ABRL​5 ΩIL​

Een belasting RL = 5 Ω is aangesloten over a–b. Gebruik een Thévenin-equivalent om het vermogen PL in de belasting te vinden.

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩRL = 5 Ω
PL = W
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 8

Bepaal de fase ∠G(jω) van G(s) = 41(s + 4)/(s(s + 17)) bij ω = 8 rad/s, in graden.

G(s) = 41(s + 4)/(s(s + 17))ω = 8 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 58/(s(s + 3)(s + 9)). Bepaal de faseomslagfrequentie ω180, waar ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 58/(s(s + 3)(s + 9))
ω180 = rad/s

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: Im(w) = −1,328

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 / 1,5 = 1,333
θ = 125° − (−140)° = 265° → −95°

Rechthoekige vorm

Re(w) = 1,333·cos(−95°) = −0,1162
Im(w) = 1,333·sin(−95°) = −1,328
Im(w) = −1,328

Antwoord

Im(w) = −1,328
2.Complexe getallen

Antwoord: r = 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.

Geconjugeerd paar

z₂ = −1 − j
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·(−1)·z + ((−1)² + 1²) = z² + 2z + 2

Splits de kwadratische factor af

z³ − 2z − 4 = (z² + 2z + 2)(z − 2)

Reële wortel

r = 2

Antwoord

r = 2

Controleer met de som van de wortels: z₁ + z₂ + r = −2 + 2 = 0 = −(0).

3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: P = 5,021 W

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 = 125,7 Ω, XC = 16,93 Ω

Impedantie

|Z| = √(25² + (108,7)²) = 111,6 Ω

Werkelijk vermogen

Spoelen en condensatoren slaan alleen energie op en geven die terug; de weerstand neemt al het werkelijk vermogen op.

I = 50/111,6 = 0,4482 A
P = I²·R = 0,4482²·25 = 5,021 W

Antwoord

P = 5,021 W
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: f0 = 41,09 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·√(0,15·100·10⁻⁶)) = 41,09 Hz

Antwoord

f0 = 41,09 Hz
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: X = 68,56 Ω

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.

Weerstand uit het werkelijk vermogen

R = P/I² = 420/2,5² = 67,2 Ω

Reactantie uit de impedantie

|Z| = V/I = 240/2,5 = 96 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(96² − 67,2²) = 68,56 Ω

Antwoord

X = 68,56 Ω
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: ΔP = 19,09 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 = 5·tan(arccos 0,6) = 6,667 kvar

Grootste totale werkelijk vermogen

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(25² − 6,667²) = 24,09 kW

Extra werkelijk vermogen

ΔP = 24,09 − 5 = 19,09 kW

Antwoord

ΔP = 19,09 kW
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: WL = 1,28 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

½·1 × 10⁻¹¹·20² = 2 × 10⁻⁹ J

Energie die in de condensator overblijft

½·1 × 10⁻¹¹·12² = 7,2 × 10⁻¹⁰ J

Energie in de spoel

WL = 1,28 × 10⁻⁹ J = 1,28 nJ

Antwoord

WL = 1,28 nJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: RD = 2000 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 = 0,00047/(4,7 × 10⁻¹¹·5) = 2 × 10⁶ Ω = 2000 kΩ

Controle met Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 632,5, Q²·r = 2 × 10⁶ Ω

Antwoord

RD = 2000 kΩ
9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 118,5 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 = √3·480·150 = 124,7 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 124,7·0,95 = 118,5 kW

Antwoord

P = 118,5 kW
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: QC = 158,8 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 = 250·tan(acos 0,72) = 250·0,9639 = 241 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 158,8 kvar

Antwoord

QC = 158,8 kvar
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: i = 0,5026 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.

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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 6/10 = 0,6 A

Stroom op het gegeven tijdstip

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,6·(1 − e−40/22) = 0,5026 A

Antwoord

i = 0,5026 A
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 15,25 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 = 6 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 10 µF = 22 ms
vC(t) = 6 + (15 − 6)·e−t/τ

Los op naar de tijd

10,5 = 6 + (9)·e−t/τ → e−t/τ = (10,5 − 6)/(15 − 6) = 0,5
t = τ·ln((15 − 6)/(10,5 − 6)) = 22·ln(2) = 15,25 ms

Antwoord

t = 15,25 ms
13.Thévenin en Norton

Antwoord: IL = 1,21 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​ = 8 ΩR3​ = 10 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 10 = 15,71 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​20 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) = 30·20/(8+20) = 21,43 V
Rth​ = 15,71 Ω+−Vth​21,43 VRL​2 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) = 21,43/(15,71 + 2) = 1,21 A
14.Thévenin en Norton

Antwoord: PL = 13,83 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​ = 3 ΩR3​ = 6 ΩKORTSLUITINGR2​4 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 6 = 7,714 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAIs​2 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) = 5,714 + 2·1,714 = 9,143 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,143 + 2·6 = 21,14 V
Rth​ = 7,714 Ω+−Vth​21,14 VRL​5 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) = 21,14/(7,714 + 5) = 1,663 A
PL = IL²·RL = 1,663²·5 = 13,83 W
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: ∠G(jω) = −51,77 °

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(8/4) − 90° − atan(8/17) = 63,43° − 90° − 25,2°

Resultaat

∠G(j8) = −51,77°

Antwoord

∠G(jω) = −51,77°
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: ω180 = 5,196 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/3)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(3·9) = 5,196 rad/s

Antwoord

ω180 = 5,196 rad/s

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