Teoria obwodów 2: obwody prądu przemiennego: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 16 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Liczby zespolone

Postać algebraiczna
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Moduł i argument
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Postać biegunowa i wykładnicza
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Dzielenie
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Iloczyn i iloraz
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
Wzór de Moivre’a
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
Pierwiastki n-tego stopnia
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Trójmian kwadratowy z p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Metoda

  1. Zdecyduj, która postać pasuje do działania: algebraiczna a + jb do dodawania i odejmowania, biegunowa r∠θ do mnożenia, dzielenia, potęg i pierwiastków.
  2. Wymnażaj z j² = −1; dziel, mnożąc licznik i mianownik przez liczbę sprzężoną do mianownika.
  3. Zamieniaj przez r = √(a² + b²) i θ ze szkicu punktu (sprawdź ćwiartkę), a z powrotem przez a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Dla potęg użyj wzoru de Moivre’a, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; dla zⁿ = R∠φ wypisz wszystkie n pierwiastków R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Impedancja i wskazy AC

Impedancje
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Pulsacja
ω = 2πf
Moduł i kąt
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Prawo Ohma dla wskazów
V = I·Z

Metoda

  1. Przelicz częstotliwość: ω = 2πf.
  2. Wyznacz każdą reaktancję: XL = ωL i XC = 1/(ωC).
  3. Dodawaj impedancje jak rezystory, z Z = R + jX.
  4. Wyznacz moduł |Z| = √(R² + X²) i kąt φ = atan(X/R), a potem zastosuj prawo Ohma dla wskazów.

Moc AC i współczynnik mocy

Moc czynna
P = V·I·cos φ
Moc bierna
Q = V·I·sin φ
Moc pozorna
S = V·I = √(P² + Q²)
Współczynnik mocy
pf = cos φ = P/S
Kondensator kompensacyjny
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Rezonans LC, dobroć i szerokość pasma

Częstotliwość drgań własnych
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Energia
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Prąd szczytowy
Imax = V0√(C/L)
Dobroć
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
Szeregowy RLC
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
Równoległy RLC
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Pasmo przenoszenia
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Częstotliwości połowy mocy
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Obwód rezonansowy z rezystancją cewki r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Zanikanie amplitudy
e−Rt/(2L)

Metoda

  1. Najpierw wyznacz częstotliwość rezonansową: ω₀ = 1/√(LC) i f₀ = ω₀/(2π).
  2. Ustal, czy obwód jest szeregowy, czy równoległy: szeregowy Q = (1/R)√(L/C), równoległy Q = R√(C/L).
  3. Szerokość pasma wyznacz ze wzoru BW = f₀/Q albo skrótów R/(2πL) (szeregowy) i 1/(2πRC) (równoległy).
  4. W zadaniach o energii skorzystaj z tego, że w idealnym obwodzie LC całkowita energia ½CV₀² jest stała i co ćwierć okresu przepływa między C i L.

Moc w układach trójfazowych

Połączenie w gwiazdę (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Połączenie w trójkąt (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Całkowita moc czynna
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Moc pozorna i bierna
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kondensatory do kompensacji
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Napięcie na każdym kondensatorze
Δ: VL Y: VL/√3
Moc pobierana przez silnik
Pin = Pout/η

Stany nieustalone RC i RL

Stała czasowa
τ = RC | τ = L/R
Odpowiedź układu
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Kondensator przy prądzie stałym
rozwarcie; vC nie może zmienić się skokowo
Cewka przy prądzie stałym
zwarcie; iL nie może zmienić się skokowo
Stan ustalony
t ≈ 5τ

Metoda

  1. Wyznacz wartość początkową tuż po przełączeniu: napięcie na kondensatorze i prąd cewki nie mogą zmienić się skokowo.
  2. Wyznacz wartość końcową długo po przełączeniu: kondensator zachowuje się jak rozwarcie, a cewka jak zwarcie.
  3. Wyznacz stałą czasową: τ = RC lub τ = L/R, z rezystancją widzianą przez kondensator lub cewkę.
  4. Użyj x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Thévenin i Norton

Napięcie Thévenina
Vth = Vopen circuit
Rezystancja Thévenina
Rth: wszystkie źródła wyłączone, widziana z a–b
Prąd Nortona
IN = Vth/Rth
Prąd obciążenia
IL = Vth/(Rth + RL)
Maksymalne przekazywanie mocy
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Metoda

  1. Odłącz obciążenie i oznacz dwa zaciski a i b.
  2. Wyznacz napięcie stanu jałowego między a i b: to jest Vth.
  3. Wyłącz wszystkie niezależne źródła i wyznacz rezystancję widzianą z a–b: to jest Rth.
  4. Podłącz obciążenie z powrotem do obwodu zastępczego: Vth szeregowo z Rth.
  5. Dla obwodu zastępczego Nortona przelicz: IN = Vth/Rth, z RN = Rth równolegle.

2Zadania do ćwiczenia

1.Liczby zespoloneŚredni
ReIm55−5−5z₁z₂w

Dane są z₁ = 4∠−35° i z₂ = 2∠−140°. Znajdź część urojoną liczby w = z₁·z₂.

z₁ = 4∠−35°z₂ = 2∠−140°
Im(w) =
2.Liczby zespoloneTrudny
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂

Rozwiąż z² + 6z + 18 = 0. Pierwiastki to a ± jb; znajdź b > 0.

p = 6q = 18
b =
3.Impedancja i wskazy ACŚredni
230 V60 HzR = 20 ΩL = 200 mHI

Rezystor i cewka są połączone równolegle i podłączone do zasilania 230 V (skuteczne), 60 Hz. Wyznacz moduł impedancji |Z|.

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 200 mH
|Z| = Ω
4.Impedancja i wskazy ACTrudny
100 V60 HzR1​ = 15 ΩR2​ = 40 ΩC = 22 µFI

Rezystor R1 jest połączony szeregowo z równoległym połączeniem R2 i kondensatora C i podłączony do zasilania 100 V (skuteczne), 60 Hz. Wyznacz wartość skuteczną prądu I.

V = 100 V (rms)f = 60 HzR1 = 15 ΩR2 = 40 ΩC = 22 µF
I = A
5.Moc AC i współczynnik mocyŚredni
P = 3 kWQSφ

Silnik jednofazowy pobiera 3 kW przy współczynniku mocy 0,6 (indukcyjnym) z zasilania 240 V. Wyznacz prąd linii I.

P = 3 kWpf = 0,6V = 240 V
I = A
6.Moc AC i współczynnik mocyTrudny
24 V50 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

Źródło 24 V (skuteczne), 50 Hz ma impedancję wewnętrzną Zs = 25 + j30 Ω. Impedancję obciążenia ZL można dobrać dowolnie. Obciążenie zapewniające maksymalną moc składa się z rezystora połączonego szeregowo z kondensatorem. Wyznacz pojemność C.

Vs = 24 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j30 Ω
C = µF
7.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasmaŚredni
f|I|0,7071100 kHzf1​ = ?f2​BW

Szeregowy obwód RLC rezonuje przy 100 kHz z Q = 3. Wyznacz dokładnie dolną częstotliwość połowy mocy f1 w kHz.

f0 = 100 kHzQ = 3
f1 = kHz
8.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasmaTrudny
f|I|0,7071f0​ = ?10 kHz25 kHzBW

Częstotliwości połowy mocy krzywej rezonansowej wynoszą 10 kHz i 25 kHz. Wyznacz częstotliwość rezonansową jako ich średnią geometryczną, a następnie dobroć Q.

f1 = 10 kHzf2 = 25 kHz
Q =
9.Moc w układach trójfazowychŚredni
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M37 kW, η = 91%cos φ = 0,9

Trójfazowy silnik indukcyjny oddaje przy pełnym obciążeniu 37 kW mocy mechanicznej. Przy tym obciążeniu jego sprawność wynosi 91%, a współczynnik mocy 0,9 (indukcyjny). Napięcie przewodowe sieci wynosi 415 V. Wyznacz prąd przewodowy IL.

Pout = 37 kWη = 91%cos φ = 0,9VL = 415 V
IL = A
10.Moc w układach trójfazowychTrudny
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera 75 kW przy współczynniku mocy 0,75 (indukcyjnym) z sieci 480 V (napięcie przewodowe), 60 Hz. Trójfazowa bateria kondensatorów połączona równolegle z odbiornikiem ma podnieść wypadkowy współczynnik mocy do 0,92 (indukcyjnego). Moc czynna się nie zmienia. Wyznacz całkowitą moc bierną QC, którą musi dostarczyć bateria kondensatorów, w kvar.

P = 75 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Stany nieustalone RC i RLŚredni
+−Vs​20 Vt = 0R = 22 ΩL10 mHi(t)

Przed zamknięciem łącznika w t = 0 przez cewkę nie płynie prąd. Wyznacz energię W zgromadzoną w cewce w chwili t = 1 ms, w mJ.

Vs = 20 VR = 22 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
12.Stany nieustalone RC i RLTrudny
+−Vs​20 Votwiera się w t = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 6,8 kΩi2​C10 µF+−vC​

Łącznik był długo zamknięty, więc obwód jest w stanie ustalonym. W t = 0 łącznik się otwiera. Wyznacz prąd i2 przez R2 w chwili t = 100 ms.

Vs = 20 VR1 = 1 kΩR2 = 6,8 kΩC = 10 µFt = 100 ms
i2 = mA
13.Thévenin i NortonŚredni
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAab

Wyznacz napięcie Thévenina Vth widziane z zacisków a–b.

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
14.Thévenin i NortonTrudny
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAIs​3 ABRL​10 ΩIL​

Między a–b podłączono obciążenie RL = 10 Ω. Zastąp resztę obwodu jego zastępczym układem Thévenina i wyznacz prąd obciążenia IL.

V1 = 18 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 ΩRL = 10 Ω
IL = A
15.Wykresy Bodego i zapasyŚredni
vin​C = 4,7 nFR = 47 kΩvout​

Filtr górnoprzepustowy RC pokazany na rysunku ma R = 47 kΩ, C = 4,7 nF. Podano sinusoidalne wejście 7,2 kHz. Znajdź przesunięcie fazowe φ vout względem vin, w stopniach.

R = 47 kΩC = 4,7 nFf = 7,2 kHz
φ = °
16.Wykresy Bodego i zapasyTrudny
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Pętla ze sprzężeniem jednostkowym ma transmitancję układu otwartego L(s) = 4/(s(s + 1)(s + 3)). Znajdź częstotliwość odcięcia fazy ω180, przy której ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 4/(s(s + 1)(s + 3))
ω180 = rad/s

3Roztwory

1.Liczby zespolone

Odpowiedź: Im(w) = −0,6972

Postać biegunowa: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, gdzie r = |z| i θ = arg z. Powrót do postaci algebraicznej: a = r cos θ, b = r sin θ. Argument wymaga ustalenia ćwiartki: θ = atan(b/a) tylko dla a > 0; dla a < 0 dodaj lub odejmij 180°. W postaci biegunowej mnożenie jest łatwe: pomnóż moduły i dodaj argumenty; przy dzieleniu podziel moduły i odejmij argumenty.

Moduł i argument w

|w| = 4 · 2 = 8
θ = −35° + (−140)° = −175°

Postać algebraiczna

Re(w) = 8·cos(−175°) = −7,97
Im(w) = 8·sin(−175°) = −0,6972
Im(w) = −0,6972

Odpowiedź

Im(w) = −0,6972
2.Liczby zespolone

Odpowiedź: b = 3

Wzór de Moivre’a i pierwiastki: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. Równanie zⁿ = R∠φ ma dokładnie n pierwiastków, wszystkie o module R1/n, o argumentach (φ + 360°·k)/n dla k = 0, 1, …, n − 1: leżą równomiernie na okręgu, co 360°/n. Równanie kwadratowe z² + pz + q = 0 z p² < 4q ma pierwiastki zespolone z = −p/2 ± j√(q − p²/4); wielomian o współczynnikach rzeczywistych ma pierwiastki zespolone zawsze w parach sprzężonych a ± jb.

Wyróżnik

p² − 4q = 36 − 72 = −36 < 0

Wzór na pierwiastki równania kwadratowego

z = (−6 ± j√36)/2 = −3 + j3, −3 − j3

Odpowiedź

b = 3

Odpowiedź

b = 3
3.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: |Z| = 19,33 Ω

Obwody AC i wskazy: rezystory, cewki i kondensatory mają impedancje R, jωL i 1/(jωC), gdzie ω = 2πf. Szeregowo impedancje dodaje się jak rezystancje, ale jako liczby zespolone. Wartości skuteczne prądu i napięcia spełniają prawo Ohma z |Z|.

Reaktancja

XL = ωL = 2π·60·0,2 = 75,4 Ω

Prądy gałęzi

Obie gałęzie są podłączone bezpośrednio do zasilania, więc na każdej jest pełne napięcie V.

IR = V/R = 230/20 = 11,5 A
IX = V/XL = 230/75,4 = 3,05 A

Prąd całkowity

Prąd rezystora jest w fazie z V, a prąd bierny przesunięty o 90°, więc dodają się jak boki trójkąta prostokątnego.

I = √(IR² + IX²) = √(11,5² + 3,05²) = 11,9 A

Impedancja

|Z| = V/I = 230/11,9 = 19,33 Ω

Odpowiedź

|Z| = 19,33 Ω
4.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: I = 1,908 A

Obwody AC i wskazy: rezystory, cewki i kondensatory mają impedancje R, jωL i 1/(jωC), gdzie ω = 2πf. Szeregowo impedancje dodaje się jak rezystancje, ale jako liczby zespolone. Wartości skuteczne prądu i napięcia spełniają prawo Ohma z |Z|.

Reaktancja

XC = 1/(2π·60·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω

Połączenie równoległe

Pomnóż licznik i mianownik przez liczbę sprzężoną, aby rozdzielić Zp na część rzeczywistą i urojoną.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 36,03 − j11,95 Ω

Impedancja całkowita

Z = 15 + 36,03 − j11,95 = 51,03 − j11,95 Ω
|Z| = √(51,03² + 11,95²) = 52,42 Ω

Prąd

I = V/|Z| = 100/52,42 = 1,908 A

Odpowiedź

I = 1,908 A
5.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: I = 20,83 A

Moc w obwodach AC: moc pozorna S = V·I (VA) dzieli się na moc czynną P = S·cos φ (W), która wykonuje pracę użyteczną, i moc bierną Q = S·sin φ (var), która krąży między źródłem a odbiornikiem. Współczynnik mocy to cos φ. Kondensator równoległy dostarcza moc bierną lokalnie, więc prąd linii maleje przy tej samej mocy czynnej.

Prąd linii

Pracę wykonuje tylko moc czynna, więc podziel przez współczynnik mocy.

I = P/(V·cos φ) = 3000/(240·0,6) = 20,83 A

Odpowiedź

I = 20,83 A
6.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: C = 106,1 µF

Moc w obwodach AC: moc pozorna S = V·I (VA) dzieli się na moc czynną P = S·cos φ (W), która wykonuje pracę użyteczną, i moc bierną Q = S·sin φ (var), która krąży między źródłem a odbiornikiem. Współczynnik mocy to cos φ. Kondensator równoległy dostarcza moc bierną lokalnie, więc prąd linii maleje przy tej samej mocy czynnej.

Dopasowanie sprzężone

Reaktancja obciążenia znosi reaktancję źródła, a rezystancja obciążenia jest równa rezystancji źródła.

ZL = Zs* = 25 − j30 Ω

Pojemność

XC = 30 Ω → C = 1/(2π·50·30) = 106,1 µF

Odpowiedź

C = 106,1 µF
7.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasma

Odpowiedź: f1 = 84,71 kHz

Dobroć i szerokość pasma: w obwodzie rezonansowym Q = 2π·(energia zgromadzona)/(energia tracona w jednym cyklu). Dla szeregowego RLC Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); dla równoległego RLC Q = R/(ω0L) = R√(C/L). Szerokość pasma między częstotliwościami połowy mocy f1 i f2 (gdzie moc jest o połowę mniejsza, a prąd lub napięcie wynosi 1/√2 wartości szczytowej) to BW = f2 − f1 = f0/Q, czyli R/(2πL) w obwodzie szeregowym i 1/(2πRC) w równoległym. Częstotliwość rezonansowa jest średnią geometryczną f0 = √(f1f2), a f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Straty powodują też zanikanie drgań: w szeregowym RLC amplituda maleje jak e−Rt/(2L).

Składnik z pierwiastkiem

√(1 + 1/(4·3²)) = 1,014

Dolna częstotliwość połowy mocy

f1 = 100000·(1,014 − 0,1667) = 84713 Hz = 84,71 kHz

Odpowiedź

f1 = 84,71 kHz

Górna wynosi f₂ = 118 kHz; sprawdzenie: f₂ − f₁ = 33,33 kHz = f₀/Q.

8.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasma

Odpowiedź: Q = 1,054

Dobroć i szerokość pasma: w obwodzie rezonansowym Q = 2π·(energia zgromadzona)/(energia tracona w jednym cyklu). Dla szeregowego RLC Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); dla równoległego RLC Q = R/(ω0L) = R√(C/L). Szerokość pasma między częstotliwościami połowy mocy f1 i f2 (gdzie moc jest o połowę mniejsza, a prąd lub napięcie wynosi 1/√2 wartości szczytowej) to BW = f2 − f1 = f0/Q, czyli R/(2πL) w obwodzie szeregowym i 1/(2πRC) w równoległym. Częstotliwość rezonansowa jest średnią geometryczną f0 = √(f1f2), a f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Straty powodują też zanikanie drgań: w szeregowym RLC amplituda maleje jak e−Rt/(2L).

Częstotliwość rezonansowa

f0 = √(10000·25000) = 15811 Hz

Pasmo przenoszenia

BW = 25000 − 10000 = 15000 Hz

Dobroć

Q = 15811/15000 = 1,054

Odpowiedź

Q = 1,054
9.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: IL = 62,85 A

Symetryczne układy trójfazowe: w połączeniu w gwiazdę (Y) napięcie przewodowe jest √3 razy większe od napięcia fazowego, VL = √3·Vph, a prąd przewodowy jest równy prądowi fazowemu. W połączeniu w trójkąt (Δ) napięcie przewodowe jest równe napięciu fazowemu, a prąd przewodowy jest √3 razy większy od prądu fazowego, IL = √3·Iph. Moc całkowita jest trzykrotnością mocy jednej fazy: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Elektryczna moc wejściowa

Pin = Pout/η = 37/0,91 = 40,66 kW

Prąd linii

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 40659/(√3·415·0,9) = 62,85 A

Odpowiedź

IL = 62,85 A
10.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: QC = 34,19 kvar

Symetryczne układy trójfazowe: w połączeniu w gwiazdę (Y) napięcie przewodowe jest √3 razy większe od napięcia fazowego, VL = √3·Vph, a prąd przewodowy jest równy prądowi fazowemu. W połączeniu w trójkąt (Δ) napięcie przewodowe jest równe napięciu fazowemu, a prąd przewodowy jest √3 razy większy od prądu fazowego, IL = √3·Iph. Moc całkowita jest trzykrotnością mocy jednej fazy: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Kompensacja mocy biernej: kondensatory dostarczają moc bierną lokalnie, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Każdy z trzech kondensatorów dostarcza QC/3 = V²·ω·C, gdzie V to napięcie na tym kondensatorze: VL w baterii połączonej w trójkąt, VL/√3 w baterii połączonej w gwiazdę.

Moc bierna przed i po

Moc czynna się nie zmienia, więc każdy współczynnik mocy wyznacza moc bierną: Q = P·tan φ.

Q1 = 75·tan(acos 0,75) = 75·0,8819 = 66,14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

Moc bierna z kondensatorów

QC = Q1 − Q2 = 34,19 kvar

Odpowiedź

QC = 34,19 kvar
11.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: W = 3,267 mJ

Stany nieustalone pierwszego rzędu: w obwodzie z jednym kondensatorem lub jedną cewką każde napięcie i każdy prąd zmienia się wykładniczo od wartości początkowej do końcowej: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, gdzie τ = RC lub τ = L/R. Po około 5τ obwód jest w stanie ustalonym.

Stała czasowa i prąd końcowy

Długo po zamknięciu łącznika cewka zachowuje się jak zwarcie, więc prąd końcowy zależy tylko od R.

τ = L/R = 10 mH / 22 Ω = 0,4545 ms
i(∞) = Vs/R = 20/22 = 0,9091 A

Prąd w danej chwili

i(t) = 0,9091·(1 − e−1/0,4545) = 0,8084 A

Zgromadzona energia

W = ½·L·i² = ½·10·0,8084² = 3,267 mJ

Odpowiedź

W = 3,267 mJ
12.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: i2 = 0,5892 mA

Stany nieustalone pierwszego rzędu: w obwodzie z jednym kondensatorem lub jedną cewką każde napięcie i każdy prąd zmienia się wykładniczo od wartości początkowej do końcowej: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, gdzie τ = RC lub τ = L/R. Po około 5τ obwód jest w stanie ustalonym.

Początkowe napięcie kondensatora

W stanie ustalonym kondensator jest rozwarciem, więc R₁ i R₂ tworzą dzielnik napięcia. Napięcie kondensatora nie może zmienić się skokowo przy otwarciu łącznika.

vC(0) = 20·6,8/(1 + 6,8) = 17,44 V

Stała czasowa po otwarciu łącznika

τ = R2·C = 6,8·10 = 68 ms

Rozładowanie

vC(t) = 17,44·e−100/68 = 4,007 V
i2 = vC/R2 = 4,007/6,8 = 0,5892 mA

Odpowiedź

i2 = 0,5892 mA
13.Thévenin i Norton

Odpowiedź: Vth = 11,25 V

Twierdzenie Thévenina: każdy liniowy dwójnik zachowuje się jak jedno źródło napięcia Vth szeregowo z rezystancją Rth. Twierdzenie Nortona przedstawia ten sam układ jako źródło prądu IN = Vth/Rth równolegle z Rth.

R1​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩZWARCIER2​12 ΩAabRth​

Wyznacz Rth przy wyłączonych wszystkich źródłach

Zastąp źródła napięcia zwarciami, a źródła prądu rozwarciami, a potem spójrz na obwód od strony a–b.

R1 ∥ R2 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 8 = 11 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAab+−Vth​

Wyznacz Vth, napięcie stanu jałowego

Przy rozwartych a–b przez R₃ nie płynie prąd, więc nie ma na nim spadku i V_b = V_A. R₁ i R₂ tworzą dzielnik napięcia.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·12/(4+12) = 11,25 V
14.Thévenin i Norton

Odpowiedź: IL = 2,441 A

Twierdzenie Thévenina: każdy liniowy dwójnik zachowuje się jak jedno źródło napięcia Vth szeregowo z rezystancją Rth. Twierdzenie Nortona przedstawia ten sam układ jako źródło prądu IN = Vth/Rth równolegle z Rth.

R1​ = 10 ΩR3​ = 12 ΩZWARCIER2​30 ΩAROZWARCIEBabRth​

Wyznacz Rth przy wyłączonych wszystkich źródłach

Zastąp źródła napięcia zwarciami, a źródła prądu rozwarciami, a potem spójrz na obwód od strony a–b.

R1 ∥ R2 = 10·30/(10+30) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 12 = 19,5 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAIs​3 ABab+−Vth​

Wyznacz Vth, napięcie stanu jałowego

Przy rozwartych a–b jedyną drogą dla Iₛ jest R₃ do węzła A. Wyznacz V_A z superpozycji V₁ i Iₛ, a potem dodaj spadek na R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 13,5 + 3·7,5 = 36 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 36 + 3·12 = 72 V
Rth​ = 19,5 Ω+−Vth​72 VRL​10 ΩIL​

Podłącz obciążenie do układu zastępczego Thévenina

Źródło Thévenina i R_th szeregowo zachowują się na a–b dokładnie jak pierwotny obwód, więc obciążenie widzi prostą pętlę szeregową.

IL = Vth/(Rth + RL) = 72/(19,5 + 10) = 2,441 A
15.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: φ = 5,714 °

Charakterystyka częstotliwościowa: podstaw s = jω w transmitancji. Moduł w decybelach to 20·log₁₀|H(jω)|, a faza to suma kątów czynników licznika minus kąty czynników mianownika. Filtr RC lub RL pierwszego rzędu ma częstotliwość graniczną (−3 dB) ωc = 1/(RC) lub R/L oraz fc = ωc/(2π); filtr dolnoprzepustowy daje |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) i φ = −atan(ω/ωc). Na asymptotycznym (łamanym) wykresie Bodego każdy biegun zagina moduł w dół o 20 dB/dekadę przy swojej częstotliwości granicznej, każde zero zagina go w górę o 20 dB/dekadę, a integrator 1/s daje −20 dB/dekadę przy wszystkich częstotliwościach. Częstotliwość odcięcia wzmocnienia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); zapas fazy PM = 180° + ∠L(jωc). Częstotliwość odcięcia fazy ω180: ∠L(jω) = −180°; zapas wzmocnienia GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Układ zamknięty jest stabilny, gdy oba zapasy są dodatnie.

Częstotliwość graniczna

ωc = 1/(RC) = 1/(47000·4,7 × 10⁻⁹) = 4527 rad/s
fc = 720,5 Hz → f/fc = 7200/720,5 = 9,993

Faza

φ = 90° − atan(9,993) = 5,714°

Odpowiedź

φ = 5,714°
16.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: ω180 = 1,732 rad/s

Charakterystyka częstotliwościowa: podstaw s = jω w transmitancji. Moduł w decybelach to 20·log₁₀|H(jω)|, a faza to suma kątów czynników licznika minus kąty czynników mianownika. Filtr RC lub RL pierwszego rzędu ma częstotliwość graniczną (−3 dB) ωc = 1/(RC) lub R/L oraz fc = ωc/(2π); filtr dolnoprzepustowy daje |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) i φ = −atan(ω/ωc). Na asymptotycznym (łamanym) wykresie Bodego każdy biegun zagina moduł w dół o 20 dB/dekadę przy swojej częstotliwości granicznej, każde zero zagina go w górę o 20 dB/dekadę, a integrator 1/s daje −20 dB/dekadę przy wszystkich częstotliwościach. Częstotliwość odcięcia wzmocnienia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); zapas fazy PM = 180° + ∠L(jωc). Częstotliwość odcięcia fazy ω180: ∠L(jω) = −180°; zapas wzmocnienia GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Układ zamknięty jest stabilny, gdy oba zapasy są dodatnie.

Częstotliwość odcięcia fazy

(ω/1)·(ω/3) = 1 → ω180 = √(1·3) = 1,732 rad/s

Odpowiedź

ω180 = 1,732 rad/s

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