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
ReIm11−1−122−2−2θz

Het getal z = 2,5·ej1,5 heeft zijn hoek in radialen. Bepaal het imaginaire deel b.

r = 2,5θ = 1,5 rad
b =
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm22−2−244−4−4ABCD

Precies één van de punten A–D is een wortel van z³ = 27∠60°. Klik erop.

w = 27∠60°n = 3
  1. 1A (3∠−10°)
  2. 2B (3∠−160°)
  3. 3C (3∠20°)
  4. 4D (5,4∠20°)
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
100 V1000 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 100 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 = 20 ΩL = 50 mHC = 100 µF
φ = °
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
10 V60 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 10 µF+−VC​

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 10 V (rms), 60 Hz. Vind de effectieve spanning VC over de condensator.

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 10 µF
VC = V
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
P = 22 kWQSφ

Een eenfasige motor neemt 22 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,75 uit een voeding van 400 V. Vind de lijnstroom I.

P = 22 kWpf = 0,75V = 400 V
I = A
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
240 V60 Hzbelasting17 kW, 0,7C220 µFI = ?

Een eenfasige belasting neemt 17 kW op met een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een voeding van 240 V, 60 Hz. Parallel aan de belasting wordt een condensator van 220 µF aangesloten. Vind de nieuwe lijnstroom I.

P = 17 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 60 HzC = 220 µF
I = A
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
C = 1 µF+−12 VL = 10 mHiL​

Een condensator van 1 µF, opgeladen tot 15 V, oscilleert met een ideale spoel van 10 mH. Bepaal de energie WL die in de spoel is opgeslagen op het moment dat de condensatorspanning 12 V is, in µJ.

C = 1 µFV0 = 15 VvC = 12 V
WL = µJ
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
f|I|0,7071f0​ = ?10 kHz10,5 kHzBW

De halfvermogensfrequenties van een resonantiekromme zijn 10 kHz en 10,5 kHz. Bepaal de resonantiefrequentie als hun meetkundig gemiddelde, en daarna de kwaliteitsfactor Q.

f1 = 10 kHzf2 = 10,5 kHz
Q =
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 415 VZ = 7 + j24 Ωper fase

Een symmetrische, in driehoek geschakelde belasting met een impedantie van 7 + j24 Ω per fase is aangesloten op een symmetrisch draaistroomnet met een lijnspanning van 415 V. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 415 VZ = 7 + j24 Ω per fase
P = kW
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 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 ster geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 60 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​9 Vt = 0R = 33 ΩL33 mHi(t)

De spoel voert geen stroom voordat de schakelaar op t = 0 sluit. Vind de energie W(∞) die in de spoel is opgeslagen als de schakeling tot rust is gekomen, in mJ.

Vs = 9 VR = 33 ΩL = 33 mH
W(∞) = mJ
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​9 Vt = 0R = 47 kΩC?+−vC​

Een timer begint op t = 0 een ongeladen condensator via een weerstand op te laden uit een voeding van 9 V. Hij moet schakelen als de condensatorspanning 5,69 V bereikt, precies 250 ms na de start. Vind met R = 47 kΩ de benodigde capaciteit C.

Vs = 9 VVth = 5,69 VT = 250 msR = 47 kΩ
C = µF
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩARL​12 ΩIL​B

Een belasting RL = 12 Ω is aangesloten over a–b. Vervang de rest van de schakeling door het Thévenin-equivalent en vind de belastingsstroom IL.

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩRL = 12 Ω
IL = A
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAIs​1,5 ABab

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

V1 = 6 VIs = 1,5 AR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 5

Bepaal de exacte grootte |G(jω)| van G(s) = 480/((s + 5)(s + 12)) bij ω = 5 rad/s, in dB.

G(s) = 480/((s + 5)(s + 12))ω = 5 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 32/(s(s + 4)). Bepaal de fasemarge PM in graden.

L(s) = 32/(s(s + 4))
PM = °

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: b = 2,494

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.

Formule van Euler

z = 2,5·(cos 1,5 + j sin 1,5)

Componenten (radialen)

a = 2,5·cos 1,5 = 0,1768
b = 2,5·sin 1,5 = 2,494
b = 2,494

Antwoord

b = 2,494
2.Complexe getallen

Antwoord: C (3∠20°)

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.

Modulus en argumenten van de wortels

|z| = 3
θ = 20°, 140°, −100°

Het punt

C = 3∠20°

Antwoord

C (3∠20°)
3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: φ = 86,34 °

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 = 6283·0,05 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·100·10⁻⁶) = 1,592 Ω

Impedantie

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (312,6)²) = 313,2 Ω

Fasehoek

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(312,6/20) = 86,34°

Antwoord

φ = 86,34°
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: VC = 11,39 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|.

Reactanties

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,1 = 37,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω

Impedantie

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (−227,6)²) = 233 Ω

Stroom

Door elk element van een serieschakeling loopt dezelfde stroom.

I = V/|Z| = 10/233 = 0,04292 A

Spanning over de condensator

VC = I·XC = 0,04292·265,3 = 11,39 V

Antwoord

VC = 11,39 V
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: I = 73,33 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) = 22000/(400·0,75) = 73,33 A

Antwoord

I = 73,33 A
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: I = 88,08 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 = 17·tan(arccos 0,7) = 17,34 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·220·10⁻⁶ = 4777 var = 4,777 kvar
Q2 = 17,34 − 4,777 = 12,57 kvar

Nieuw schijnbaar vermogen

S2 = √(17² + 12,57²) = 21,14 kVA

Nieuwe lijnstroom

I = S2/V = 21140/240 = 88,08 A

Antwoord

I = 88,08 A
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: WL = 40,5 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 × 10⁻⁶·15² = 0,0001125 J

Energie die in de condensator overblijft

½·1 × 10⁻⁶·12² = 7,2 × 10⁻⁵ J

Energie in de spoel

WL = 4,05 × 10⁻⁵ J = 40,5 µJ

Antwoord

WL = 40,5 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 = √(10000·10500) = 10247 Hz

Bandbreedte

BW = 10500 − 10000 = 500 Hz

Kwaliteitsfactor

Q = 10247/500 = 20,49

Antwoord

Q = 20,49
9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 5,787 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 = 415 V

Fasestroom

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16,6 A

Totaal werkelijk vermogen

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

P = 3·Iph²·R = 3·16,6²·7 = 5,787 kW

Antwoord

P = 5,787 kW

Controle: cos φ = R/|Z| = 0,28, en √3·VL·IL·cos φ geeft hetzelfde vermogen.

10.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 327,8 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 = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,98) = 60·0,2031 = 12,18 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 49,03 kvar

Capaciteit per fase

In een sterbank is elke condensator aangesloten tussen een lijn en het sterpunt.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 16343/(314,2·398,4²) = 327,8 µF

Antwoord

Cph = 327,8 µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: W(∞) = 1,227 mJ

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 = 33 mH / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 9/33 = 0,2727 A

Opgeslagen energie

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·33·0,2727² = 1,227 mJ

Antwoord

W(∞) = 1,227 mJ
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: C = 5,318 µF

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

5,69 = 9·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(9/(9 − 5,69))
τ = 250/1 = 249,9 ms

Capaciteit

kΩ maal µF geeft milliseconden.

C = τ/R = 249,9/47 = 5,318 µF

Antwoord

C = 5,318 µF
13.Thévenin en Norton

Antwoord: IL = 0,48 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​ = 6 ΩR3​ = 10 ΩKORTSLUITINGR2​6 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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 10 = 13 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​6 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) = 24·6/(6+6) = 12 V
Rth​ = 13 Ω+−Vth​12 VRL​12 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) = 12/(13 + 12) = 0,48 A
14.Thévenin en Norton

Antwoord: Vth = −38,7 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​ = 25 ΩKORTSLUITINGR2​20 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 25 = 29 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAIs​1,5 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) = 4,8 + (−1,5)·4 = −1,2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −1,2 + (−1,5)·25 = −38,7 V
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: |G(jω)| = 14,36 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(j5)| = 480/(√(5² + 5²)·√(5² + 12²)) = 480/(7,071·13) = 5,222

Resultaat

20·log₁₀(5,222) = 14,36 dB

Antwoord

|G(jω)| = 14,36 dB
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: PM = 38,67 °

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 + 16ω² − 1024 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·1024))/2 = 24,98
ωc = 4,998 rad/s

Fasemarge

∠L(jωc) = −90° − atan(4,998/4) = −141,3°
PM = 180° + ∠L = 38,67°

Antwoord

PM = 38,67°

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