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
ReIm22−2−244−4−466−6−6θz

Schrijf z = 6 − j3 in exponentiële vorm r·ejθ. Geef θ in radialen, tussen −π en π.

z = 6 − j3
θ = rad
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂

Eén wortel van z³ + 6z + 20 = 0 is z₁ = 1 + j3. De coëfficiënten zijn reëel. Bepaal de reële wortel r.

z₁ = 1 + j3
r =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
24 V1000 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 4,7 µFI

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 24 V (rms), 1000 Hz. Vind de effectieve stroom I.

V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
I = A
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
2 Vf0​R = 15 ΩL = 50 mHC = 1 µF

Een serie-RLC-schakeling wordt gevoed door een bron van 2 V (rms) waarvan de frequentie is ingesteld op de resonantiefrequentie van de schakeling. Vind de effectieve spanning VL over de spoel.

V = 2 V (rms)R = 15 ΩL = 50 mHC = 1 µF
VL = V
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
120 VR + jXP = 765 W7,5 A

Een inductieve belasting neemt 7,5 A en 765 W op uit een eenfasige voeding van 120 V (rms). Modelleer haar als een weerstand R in serie met een reactantie X. Vind X.

V = 120 VI = 7,5 AP = 765 W
X = Ω
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
10 V1000 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j5 ΩZL​ = ?

Een bron van 10 V (rms), 1000 Hz heeft een inwendige impedantie Zs = 25 + j5 Ω. De belastingsimpedantie ZL kan vrij worden gekozen. De belasting voor maximaal vermogen bestaat uit een weerstand in serie met een condensator. Vind de capaciteit C.

Vs = 10 V (rms)f = 1000 HzZs = 25 + j5 Ω
C = µF
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
C = 100 nF+−9,6 VL = 1 mHiL​

Een condensator van 100 nF, opgeladen tot 12 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 9,6 V is, in µJ.

C = 100 nFV0 = 12 VvC = 9,6 V
WL = µJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
f|I|0,7071f0​ = ?400 kHz420 kHzBW

De halfvermogensfrequenties van een resonantiekromme zijn 400 kHz en 420 kHz. Bepaal de resonantiefrequentie als hun meetkundig gemiddelde, en daarna de kwaliteitsfactor Q.

f1 = 400 kHzf2 = 420 kHz
Q =
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 415 VIL​ = 30 Acos φ = 0,95inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 30 A op uit een net met een lijnspanning van 415 V. De arbeidsfactor is 0,95 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 415 VIL = 30 Acos φ = 0,95
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 120 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,78 uit een net van 690 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 = 120 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 ΩL22 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 99% van zijn eindwaarde? Vind t.

Vs = 5 VR = 10 ΩL = 22 mH
t = ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​24 Vt = 0R = 2,2 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 2 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Vind de condensatorspanning vC op t = 400 ms.

Vs = 24 VR = 2,2 kΩC = 220 µFvC(0) = 2 Vt = 400 ms
vC = V
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​4 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 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩRL = 8 Ω
IL = A
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAIs​0,5 ABRL​6 ΩIL​

Een belasting RL = 6 Ω is aangesloten over a–b. Gebruik een Thévenin-equivalent om het vermogen PL in de belasting te vinden.

V1 = 30 VIs = 0,5 AR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩRL = 6 Ω
PL = W
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​C = 2,2 nFR = 47 kΩvout​

Het getoonde RC-hoogdoorlaatfilter heeft R = 47 kΩ, C = 2,2 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 310 Hz aangelegd. Bepaal de faseverschuiving φ van vout ten opzichte van vin, in graden.

R = 47 kΩC = 2,2 nFf = 310 Hz
φ = °
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 20 dB geeft.

L(s) = K/(s(s + 9)(s + 10))GM = 20 dB
K =

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: θ = −0,4636 rad

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

r = √(36 + 9) = 6,708

Argument in radialen

θ = −26,57° = −26,57·π/180 = −0,4636 rad

Exponentiële vorm

z = 6,708·e−j0,4636

Antwoord

θ = −0,4636 rad
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 − j3
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·1·z + (1² + 3²) = z² − 2z + 10

Splits de kwadratische factor af

z³ + 6z + 20 = (z² − 2z + 10)(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: I = 0,2599 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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,02 = 125,7 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) = √(10² + (91,8)²) = 92,34 Ω

Stroom

Door elk element van een serieschakeling loopt dezelfde stroom.

I = V/|Z| = 24/92,34 = 0,2599 A

Antwoord

I = 0,2599 A
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: VL = 29,81 V

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 reactanties elkaar op, dus de impedantie is gewoon R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·1·10⁻⁶) = 4472 rad/s
I = V/R = 2/15 = 0,1333 A

Spanning over de spoel

XL = ω₀L = 4472·0,05 = 223,6 Ω
VL = I·XL = 0,1333·223,6 = 29,81 V

Antwoord

VL = 29,81 V

Dit is Q = 14,91 keer de voedingsspanning.

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: X = 8,429 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 = 765/7,5² = 13,6 Ω

Reactantie uit de impedantie

|Z| = V/I = 120/7,5 = 16 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(16² − 13,6²) = 8,429 Ω

Antwoord

X = 8,429 Ω
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: C = 31,83 µF

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.

Complex geconjugeerde aanpassing

De reactantie van de belasting heft die van de bron op, en de belastingsweerstand is gelijk aan de bronweerstand.

ZL = Zs* = 25 − j5 Ω

Capaciteit

XC = 5 Ω → C = 1/(2π·1000·5) = 31,83 µF

Antwoord

C = 31,83 µF
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: WL = 2,592 µJ

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 × 10⁻⁷·12² = 7,2 × 10⁻⁶ J

Energie die in de condensator overblijft

½·1 × 10⁻⁷·9,6² = 4,608 × 10⁻⁶ J

Energie in de spoel

WL = 2,592 × 10⁻⁶ J = 2,592 µJ

Antwoord

WL = 2,592 µJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: Q = 20,49

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).

Resonantiefrequentie

f0 = √(400000·420000) = 409878 Hz

Bandbreedte

BW = 420000 − 400000 = 20000 Hz

Kwaliteitsfactor

Q = 409878/20000 = 20,49

Antwoord

Q = 20,49
9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 20,49 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 = √3·415·30 = 21,56 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 21,56·0,95 = 20,49 kW

Antwoord

P = 20,49 kW
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 160,3 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 = 120·tan(acos 0,78) = 120·0,8023 = 96,27 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,98) = 120·0,2031 = 24,37 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 71,91 kvar

Capaciteit per fase

In een driehoeksbank is elke condensator aangesloten tussen twee lijnen.

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 23969/(314,2·690²) = 160,3 µF

Antwoord

Cph = 160,3 µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 10,13 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 = 22 mH / 10 Ω = 2,2 ms
i(∞) = Vs/R = 5/10 = 0,5 A

Los op naar de tijd

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −2,2·ln(0,01) = 10,13 ms

Antwoord

t = 10,13 ms
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: vC = 14,37 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.

Beginwaarde, eindwaarde, tijdconstante

De condensatorspanning kan niet verspringen, dus begint ze bij de opgeslagen waarde en gaat ze naar de bronspanning.

vC(0) = 2 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 220 µF = 484 ms
vC(t) = 24 + (2 − 24)·e−t/τ

Spanning op het gegeven tijdstip

vC(400) = 24 + (−22)·e−400/484 = 14,37 V

Antwoord

vC = 14,37 V
13.Thévenin en Norton

Antwoord: IL = 0,2308 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​ = 12 ΩR3​ = 15 ΩKORTSLUITINGR2​4 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 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 15 = 18 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​4 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) = 24·4/(12+4) = 6 V
Rth​ = 18 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/(18 + 8) = 0,2308 A
14.Thévenin en Norton

Antwoord: PL = 16,64 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​ = 8 ΩR3​ = 3 ΩKORTSLUITINGR2​15 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 3 = 8,217 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​15 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) = 19,57 + 0,5·5,217 = 22,17 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,17 + 0,5·3 = 23,67 V
Rth​ = 8,217 Ω+−Vth​23,67 VRL​6 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) = 23,67/(8,217 + 6) = 1,665 A
PL = IL²·RL = 1,665²·6 = 16,64 W
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: φ = 78,61 °

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 = 1/(RC) = 1/(47000·2,2 × 10⁻⁹) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 310/1539 = 0,2014

Fase

φ = 90° − atan(0,2014) = 78,61°

Antwoord

φ = 78,61°
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: K = 171

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 = 1020/20 = 10
K = 1710/10 = 171

Antwoord

K = 171

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