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 = −4 − j7 in graden, als hoofdwaarde tussen −180° en 180°.

z = −4 − j7
θ = °
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm11−1−122−2−233−3−3θz

Bepaal het reële deel van (−3 − j2)⁴.

z = −3 − j2n = 4
Re(z⁴) =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
100 V1000 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 100 V (rms), 1000 Hz. Vind de fasehoek φ van de impedantie, in graden (positief als de stroom achterloopt op de spanning).

V = 100 V (rms)f = 1000 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
φ = °
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
100 V100 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 4,7 µFI

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

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
I = A
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
P = 8 kWQ = ?Sφ

Een eenfasige motor neemt 8 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,65 uit een voeding van 400 V. Vind het blindvermogen Q dat hij opneemt.

P = 8 kWpf = 0,65V = 400 V
Q = kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P1​ = 92 kWQ1​S1​φ

Een eenfasige transformator van 200 kVA voedt een belasting van 92 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,8. Hoeveel extra werkelijk vermogen ΔP kan er als resistieve belasting (arbeidsfactor 1) worden bijgeplaatst voordat de transformator zijn nominale kVA bereikt?

Smax = 200 kVAP1 = 92 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 22 µHC = 1 µF

In een ideale LC-schakeling met L = 22 µH en C = 1 µF is de condensator op t = 0 volledig opgeladen. Hoe lang duurt het tot alle energie in de spoel zit? Geef t in µs.

L = 22 µHC = 1 µF
t = µs
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
C = 100 nFR = 20 ΩL = 47 mH

Een opgeladen condensator van 100 nF ontlaadt over een spoel van 47 mH met een totale serieweerstand van 20 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 = 47 mHC = 100 nFR = 20 Ω
n =
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 415 VIL​ = 40 Acos φ = 0,8inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 40 A op uit een net met een lijnspanning van 415 V. De arbeidsfactor is 0,8 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 415 VIL = 40 Acos φ = 0,8
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Een symmetrische driefasige belasting neemt 150 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,8 uit een net van 415 V (lijnspanning), 50 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 = 150 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​15 Vt = 0R = 50 ΩL10 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 50% van zijn eindwaarde? Vind t.

Vs = 15 VR = 50 ΩL = 10 mH
t = ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​20 Vt = 0R = 6,8 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 4 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Hoe lang duurt het voordat vC 15,2 V bereikt? Vind t.

Vs = 20 VR = 6,8 kΩC = 33 µFvC(0) = 4 V
t = ms
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAIs​2 ABab

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

V1 = 5 VIs = 2 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​L = 10 mHR = 470 Ωvout​

Het getoonde RL-laagdoorlaatfilter heeft R = 470 Ω, L = 10 mH. Er wordt een sinusvormige ingang van 15 kHz aangelegd. Bepaal de faseverschuiving φ van vout ten opzichte van vin, in graden.

R = 470 ΩL = 10 mHf = 15 kHz
φ = °
16.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 320/(s(s + 20)). Bepaal de versterkingsdoorsnijfrequentie ωc, waar |L(jω)| = 1.

L(s) = 320/(s(s + 20))
ωc = rad/s

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: θ = −119,7 °

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 = −4, b = −7 → III

Referentiehoek

α = atan(7/4) = 60,26°

Argument

θ = −(180° − α) = −119,7°

Antwoord

θ = −119,7°

In poolvorm is z = 8,062∠−119,7°.

2.Complexe getallen

Antwoord: Re(z⁴) = −119

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.

Machten stap voor stap

z² = (−3 − j2)(−3 − j2) = 5 + j12
z³ = (5 + j12)(−3 − j2) = 9 − j46
z⁴ = (9 − j46)(−3 − j2) = −119 + j120

Controleer met De Moivre

z = 3,606∠−146,3° → z⁴ = 169∠134,8°
Re(z⁴) = −119

Antwoord

Re(z⁴) = −119
3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: φ = 84,97 °

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,15 = 942,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·4,7·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Impedantie

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (908,6)²) = 912,1 Ω

Fasehoek

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(908,6/80) = 84,97°

Antwoord

φ = 84,97°
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: I = 0,3482 A

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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,1 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·4,7·10⁻⁶) = 338,6 Ω

Impedantie

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−275,8)²) = 287,2 Ω

Stroom

Door elk element van een serieschakeling loopt dezelfde stroom.

I = V/|Z| = 100/287,2 = 0,3482 A

Antwoord

I = 0,3482 A
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Q = 9,353 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(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Blindvermogen

Q = P·tan φ = 8·1,169 = 9,353 kvar

Antwoord

Q = 9,353 kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: ΔP = 95,72 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 = 92·tan(arccos 0,8) = 69 kvar

Grootste totale werkelijk vermogen

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 69²) = 187,7 kW

Extra werkelijk vermogen

ΔP = 187,7 − 92 = 95,72 kW

Antwoord

ΔP = 95,72 kW
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: t = 7,368 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√(2,2 × 10⁻⁵·1 × 10⁻⁶) = 29,47 µs

Kwart periode

t = T/4 = 7,368 µs

Antwoord

t = 7,368 µs
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: n = 7,563

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 = 2·0,047·ln 2/20 = 0,003258 s

Aantal perioden

n = t·f0 = 0,003258·2322 = 7,563

Antwoord

n = 7,563

Snelle formule: n = Q·ln 2/π met Q = 34,28.

9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 23 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 = √3·415·40 = 28,75 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 28,75·0,8 = 23 kW

Antwoord

P = 23 kW
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: QC = 39,85 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 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,9) = 150·0,4843 = 72,65 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 39,85 kvar

Antwoord

QC = 39,85 kvar
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 0,1386 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 = 10 mH / 50 Ω = 0,2 ms
i(∞) = Vs/R = 15/50 = 0,3 A

Los op naar de tijd

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −0,2·ln(0,5) = 0,1386 ms

Antwoord

t = 0,1386 ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 270,2 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) = 4 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 33 µF = 224,4 ms
vC(t) = 20 + (4 − 20)·e−t/τ

Los op naar de tijd

15,2 = 20 + (−16)·e−t/τ → e−t/τ = (15,2 − 20)/(4 − 20) = 0,3
t = τ·ln((4 − 20)/(15,2 − 20)) = 224,4·ln(3,333) = 270,2 ms

Antwoord

t = 270,2 ms
13.Thévenin en Norton

Antwoord: Vth = 5 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​ = 5 ΩR3​ = 10 ΩKORTSLUITINGR2​5 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 = 5·5/(5+5) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 10 = 12,5 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​5 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) = 10·5/(5+5) = 5 V
14.Thévenin en Norton

Antwoord: Vth = 34 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​ = 10 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 10 = 16 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​5 VR2​10 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) = 2 + 2·6 = 14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14 + 2·10 = 34 V
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: φ = −63,5 °

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.

Kantelfrequentie

ωc = R/L = 470/0,01 = 47000 rad/s
fc = 7480 Hz → f/fc = 15000/7480 = 2,005

Fase

φ = − atan(2,005) = −63,5°

Antwoord

φ = −63,5°
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: ωc = 13,32 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 + 400ω² − 102400 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·102400))/2 = 177,4
ωc = 13,32 rad/s

Antwoord

ωc = 13,32 rad/s

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