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
ReIm22−2−244−4−4θz

Bepaal het argument θ van z = −5 − j5 in graden, als hoofdwaarde tussen −180° en 180°.

z = −5 − j5
θ = °
2.Complexe getallenMoeilijk
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Los z² − 8z + 20 = 0 op. De wortels zijn a ± jb; bepaal het reële deel a.

p = −8q = 20
a =
3.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
Vf0​ = 2000 HzRL = ?C = 47 µF

Een serie-RLC-schakeling met C = 47 µF moet resoneren bij 2000 Hz. Vind de benodigde zelfinductie L.

f0 = 2000 HzC = 47 µF
L = mH
4.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
VfR = 100 ΩL = 50 mHC = 0,047 µF

Een serie-RLC-schakeling heeft R = 100 Ω, L = 50 mH en C = 0,047 µF. Vind de kwaliteitsfactor Q bij resonantie.

R = 100 ΩL = 50 mHC = 0,047 µF
Q =
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
120 VR + jXP = 252 W3,5 A

Een inductieve belasting neemt 3,5 A en 252 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 = 3,5 AP = 252 W
X = Ω
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
230 V60 Hzbelasting24 kW, 0,65C150 µFI

Een eenfasige belasting neemt 24 kW op met een inductieve arbeidsfactor van 0,65 uit een voeding van 230 V, 60 Hz. Parallel aan de belasting wordt een condensator van 150 µF aangesloten. Vind de nieuwe arbeidsfactor cos φ die de voeding ziet.

P = 24 kWpf1 = 0,65V = 230 Vf = 60 HzC = 150 µF
cos φ =
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteGemiddeld
V10 kΩ2,2 mH220 nF

Een parallel-RLC-schakeling heeft R = 10 kΩ, L = 2,2 mH en C = 220 nF. Bepaal zijn kwaliteitsfactor Q.

R = 10 kΩL = 2,2 mHC = 220 nF
Q =
8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedteMoeilijk
f|I|0,7071f0​ = ?20 kHz50 kHzBW

De halfvermogensfrequenties van een resonantiekromme zijn 20 kHz en 50 kHz. Bepaal de resonantiefrequentie als hun meetkundig gemiddelde, en daarna de kwaliteitsfactor Q.

f1 = 20 kHzf2 = 50 kHz
Q =
9.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 690 VIL​ = 20 Acos φ = 0,7inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 20 A op uit een net met een lijnspanning van 690 V. De arbeidsfactor is 0,7 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 690 VIL = 20 Acos φ = 0,7
P = kW
10.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 250 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,75 uit een net van 415 V (lijnspanning), 60 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,92 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. De condensatoren zijn in ster geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 250 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​20 Vt = 0R = 33 ΩL10 mHi(t)

De spoel voert geen stroom voordat de schakelaar op t = 0 sluit. Vind de spanning vL over de spoel op t = 1 ms.

Vs = 20 VR = 33 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
12.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​20 Vt = 0R = 6,8 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 12 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Vind de condensatorspanning vC op t = 80 ms.

Vs = 20 VR = 6,8 kΩC = 47 µFvC(0) = 12 Vt = 80 ms
vC = V
13.Thévenin en NortonGemiddeld
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩARL​20 ΩIL​B

Een belasting RL = 20 Ω is aangesloten over a–b. Vervang de rest van de schakeling door het Thévenin-equivalent en vind de belastingsstroom IL.

V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩRL = 20 Ω
IL = A
14.Thévenin en NortonMoeilijk
R1​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAIs​6 ABab

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

V1 = 36 VIs = 6 AR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
15.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​C = 2,2 nFR = 22 kΩvout​

Het getoonde RC-hoogdoorlaatfilter heeft R = 22 kΩ, C = 2,2 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 660 Hz aangelegd. Bepaal de faseverschuiving φ van vout ten opzichte van vin, in graden.

R = 22 kΩC = 2,2 nFf = 660 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) = 90/(s(s + 4)(s + 5)). Bepaal de versterkingsmarge GM in dB.

L(s) = 90/(s(s + 4)(s + 5))
GM = dB

3Oplossingen

1.Complexe getallen

Antwoord: θ = −135 °

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 = −5, b = −5 → III

Referentiehoek

α = atan(5/5) = 45°

Argument

θ = −(180° − α) = −135°

Antwoord

θ = −135°

In poolvorm is z = 7,071∠−135°.

2.Complexe getallen

Antwoord: a = 4

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 = 64 − 80 = −16 < 0

Abc-formule

z = (8 ± j√16)/2 = 4 + j2, 4 − j2

Antwoord

a = 4

Antwoord

a = 4
3.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: L = 0,1347 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·2000 = 12566 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(12566²·47·10⁻⁶) = 0,1347 mH

Antwoord

L = 0,1347 mH
4.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: Q = 10,31

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|.

Resonantiefrequentie

f0 = 1/(2π·√(0,05·0,047·10⁻⁶)) = 3283 Hz

Kwaliteitsfactor

Q vergelijkt de reactantie bij resonantie met de weerstand: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/100)·√(0,05/(0,047·10⁻⁶)) = 10,31

Antwoord

Q = 10,31
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: X = 27,43 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 = 252/3,5² = 20,57 Ω

Reactantie uit de impedantie

|Z| = V/I = 120/3,5 = 34,29 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(34,29² − 20,57²) = 27,43 Ω

Antwoord

X = 27,43 Ω
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: cos φ = 0,6916

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 = 24·tan(arccos 0,65) = 28,06 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·150·10⁻⁶ = 2991 var = 2,991 kvar
Q2 = 28,06 − 2,991 = 25,07 kvar

Nieuw schijnbaar vermogen

S2 = √(24² + 25,07²) = 34,7 kVA

Nieuwe arbeidsfactor

cos φ = P/S2 = 24/34,7 = 0,6916

Antwoord

cos φ = 0,6916
7.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: Q = 100

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

ω₀ = 1/√(LC) = 45455 rad/s

Kwaliteitsfactor

Q = R/(ω₀L) = 10000/(45455·0,0022) = 100

Antwoord

Q = 100

De bandbreedte is 1/(2πRC) = 72,34 Hz.

8.LC-resonantie, Q-factor en bandbreedte

Antwoord: Q = 1,054

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 = √(20000·50000) = 31623 Hz

Bandbreedte

BW = 50000 − 20000 = 30000 Hz

Kwaliteitsfactor

Q = 31623/30000 = 1,054

Antwoord

Q = 1,054
9.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 16,73 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 = √3·690·20 = 23,9 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 23,9·0,7 = 16,73 kW

Antwoord

P = 16,73 kW
10.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 1755 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 = 250·tan(acos 0,75) = 250·0,8819 = 220,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,92) = 250·0,426 = 106,5 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 114 kvar

Capaciteit per fase

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

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 37993/(377·239,6²) = 1755 µF

Antwoord

Cph = 1755 µF
11.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: vL = 0,7377 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.

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 / 33 Ω = 0,303 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 A

Spoelspanning

Op t = 0 staat de hele voedingsspanning over de spoel; daarna neemt die af tot nul.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−1/0,303 = 0,7377 V

Antwoord

vL = 0,7377 V
12.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: vC = 13,77 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) = 12 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 47 µF = 319,6 ms
vC(t) = 20 + (12 − 20)·e−t/τ

Spanning op het gegeven tijdstip

vC(80) = 20 + (−8)·e−80/319,6 = 13,77 V

Antwoord

vC = 13,77 V
13.Thévenin en Norton

Antwoord: IL = 0,1034 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​ = 20 ΩKORTSLUITINGR2​8 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 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 20 = 22,18 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​8 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) = 6·8/(3+8) = 4,364 V
Rth​ = 22,18 Ω+−Vth​4,364 VRL​20 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) = 4,364/(22,18 + 20) = 0,1034 A
14.Thévenin en Norton

Antwoord: IN = 6,55 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​ = 25 ΩR3​ = 3 ΩKORTSLUITINGR2​2 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 = 25·2/(25+2) = 1,852 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,852 + 3 = 4,852 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAIs​6 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) = 2,667 + 6·1,852 = 13,78 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,78 + 6·3 = 31,78 V
IN​6,55 ARth​4,852 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 = 31,78/4,852 = 6,55 A
15.Bodediagrammen en marges

Antwoord: φ = 78,65 °

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/(22000·2,2 × 10⁻⁹) = 20661 rad/s
fc = 3288 Hz → f/fc = 660/3288 = 0,2007

Fase

φ = 90° − atan(0,2007) = 78,65°

Antwoord

φ = 78,65°
16.Bodediagrammen en marges

Antwoord: GM = 6,021 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.

Faseomslag

(ω/4)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(4·5) = 4,472 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 25)) = K/(4·5·(4 + 5)) = K/180

Versterkingsmarge

GM = 20·log₁₀(180/90) = 6,021 dB

Antwoord

GM = 6,021 dB

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