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
ReIm55−5−51010−10−10z₁z₂w

Dane są z₁ = 4∠30° i z₂ = 3∠45°. Znajdź argument θ liczby w = z₁·z₂ w stopniach, między −180° a 180°.

z₁ = 4∠30°z₂ = 3∠45°
θ = °
2.Liczby zespoloneTrudny
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Rozwiąż z² − 2z + 26 = 0. Pierwiastki to a ± jb; znajdź część rzeczywistą a.

p = −2q = 26
a =
3.Impedancja i wskazy ACŚredni
Vf0​ = 500 HzRL = ?C = 0,22 µF

Szeregowy obwód RLC z C = 0,22 µF ma być w rezonansie przy 500 Hz. Wyznacz potrzebną indukcyjność L.

f0 = 500 HzC = 0,22 µF
L = mH
4.Impedancja i wskazy ACTrudny
230 V100 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 100 µF+−VC​

Szeregowy obwód RLC jest podłączony do zasilania 230 V (skuteczne), 100 Hz. Wyznacz wartość skuteczną napięcia VC na kondensatorze.

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 100 µF
VC = V
5.Moc AC i współczynnik mocyŚredni
240 VZ12 + j16 ΩI

Odbiornik o impedancji Z = 12 + j16 Ω jest podłączony do jednofazowego zasilania 240 V (skuteczne). Wyznacz pobieraną przez niego moc czynną P.

V = 240 VZ = 12 + j16 Ω
P = W
6.Moc AC i współczynnik mocyTrudny
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

Odbiornik jednofazowy pobiera 25 kW przy współczynniku mocy 0,7 (indukcyjnym) z zasilania 230 V, 50 Hz. Kondensator dołączony równolegle podnosi współczynnik mocy do 0,95. Wyznacz moc bierną QC, którą musi dostarczyć kondensator.

P = 25 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasmaŚredni
V22 Ω220 µH2,2 nF

Szeregowy obwód RLC ma R = 22 Ω, L = 220 µH i C = 2,2 nF. Wyznacz jego dobroć Q.

R = 22 ΩL = 220 µHC = 2,2 nF
Q =
8.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasmaTrudny
C = 22 nFR = 0,5 ΩL = 2,2 µH

Naładowany kondensator 22 nF rozładowuje się przez cewkę 2,2 µH o całkowitej rezystancji szeregowej 0,5 Ω, więc drgania powoli zanikają. Jego amplituda maleje jak e−Rt/(2L). Ile cykli drgań n upływa, zanim amplituda zmaleje o połowę? (Straty są małe, więc częstotliwość to f₀.)

L = 2,2 µHC = 22 nFR = 0,5 Ω
n =
9.Moc w układach trójfazowychŚredni
ABCVL​ = 400 VIL​ = 20 Acos φ = 0,88indukcyjny

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera prąd przewodowy 20 A ze źródła o napięciu przewodowym 400 V. Współczynnik mocy wynosi 0,88 (indukcyjny). Wyznacz całkowitą moc czynną P pobieraną przez odbiornik w kW.

VL = 400 VIL = 20 Acos φ = 0,88
P = kW
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 415 V (napięcie przewodowe), 50 Hz. Trójfazowa bateria kondensatorów połączona równolegle z odbiornikiem ma podnieść wypadkowy współczynnik mocy do 0,98 (indukcyjnego). Moc czynna się nie zmienia. Kondensatory są połączone w gwiazdę. Wyznacz pojemność Cph każdego kondensatora w µF.

P = 75 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Stany nieustalone RC i RLŚredni
+−Vs​20 Vt = 0R = 20 ΩL33 mHi(t)

Przed zamknięciem łącznika w t = 0 przez cewkę nie płynie prąd. Wyznacz napięcie vL na cewce w chwili t = 2 ms.

Vs = 20 VR = 20 ΩL = 33 mHt = 2 ms
vL = V
12.Stany nieustalone RC i RLTrudny
+−Vs​15 Vt = 0R = 1 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Tuż przed zamknięciem łącznika w t = 0 kondensator ma 3 V o zaznaczonej biegunowości. Wyznacz napięcie na kondensatorze vC w chwili t = 5 ms.

Vs = 15 VR = 1 kΩC = 10 µFvC(0) = 3 Vt = 5 ms
vC = V
13.Thévenin i NortonŚredni
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAab

Wyznacz napięcie Thévenina Vth widziane z zacisków a–b.

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
14.Thévenin i NortonTrudny
R1​ = 4 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAIs​4 ABRL​20 ΩIL​

Między a–b podłączono obciążenie RL = 20 Ω. Użyj układu zastępczego Thévenina, aby wyznaczyć moc PL dostarczaną do obciążenia.

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 25 ΩRL = 20 Ω
PL = W
15.Wykresy Bodego i zapasyŚredni
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 10

Znajdź dokładny moduł |G(jω)| G(s) = 216/((s + 6)(s + 12)) przy ω = 10 rad/s, w dB.

G(s) = 216/((s + 6)(s + 12))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 314/(s(s + 4)(s + 10)). Znajdź zapas wzmocnienia GM w dB.

L(s) = 314/(s(s + 4)(s + 10))
GM = dB

3Roztwory

1.Liczby zespolone

Odpowiedź: θ = 75 °

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 · 3 = 12
θ = 30° + 45° = 75°

Argument

θ = 75°

Odpowiedź

θ = 75°
2.Liczby zespolone

Odpowiedź: a = 1

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 = 4 − 104 = −100 < 0

Wzór na pierwiastki równania kwadratowego

z = (2 ± j√100)/2 = 1 + j5, 1 − j5

Odpowiedź

a = 1

Odpowiedź

a = 1
3.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: L = 460,6 mH

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|.

Warunek rezonansu

W rezonansie reaktancje indukcyjna i pojemnościowa się znoszą: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·500 = 3142 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(3142²·0,22·10⁻⁶) = 460,6 mH

Odpowiedź

L = 460,6 mH
4.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: VC = 76,31 V

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|.

Reaktancje

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,1 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Impedancja

Szeregowo impedancje dodaje się jak liczby zespolone: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (46,92)²) = 47,97 Ω

Prąd

Przez każdy element obwodu szeregowego płynie ten sam prąd.

I = V/|Z| = 230/47,97 = 4,795 A

Napięcie na kondensatorze

VC = I·XC = 4,795·15,92 = 76,31 V

Odpowiedź

VC = 76,31 V
5.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: P = 1728 W

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

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
I = V/|Z| = 240/20 = 12 A

Moc czynna

P = I²·R = 12²·12 = 1728 W

Odpowiedź

P = 1728 W
6.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: QC = 17,29 kvar

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.

Moc bierna przed i po

Moc czynna P się nie zmienia; zmienia się tylko moc bierna pobierana z sieci.

Q1 = P·tan φ1 = 25·tan(45,57°) = 25,51 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(18,19°) = 8,217 kvar
QC = Q1 − Q2 = 17,29 kvar

Odpowiedź

QC = 17,29 kvar
7.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasma

Odpowiedź: Q = 14,37

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).

Impedancja charakterystyczna

√(L/C) = √(0,00022/2,2 × 10⁻⁹) = 316,2 Ω

Dobroć

Q = 316,2/22 = 14,37

Odpowiedź

Q = 14,37

Częstotliwość rezonansowa wynosi 228,8 kHz, więc BW = f₀/Q = 15,92 kHz.

8.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasma

Odpowiedź: n = 4,413

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).

Czas połowicznego zaniku amplitudy

t = 2·2,2 × 10⁻⁶·ln 2/0,5 = 6,1 × 10⁻⁶ s

Liczba cykli

n = t·f0 = 6,1 × 10⁻⁶·723432 = 4,413

Odpowiedź

n = 4,413

Skrót: n = Q·ln 2/π przy Q = 20.

9.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: P = 12,19 kW

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.

Moc pozorna

S = √3·VL·IL = √3·400·20 = 13,86 kVA

Moc czynna

P = S·cos φ = 13,86·0,88 = 12,19 kW

Odpowiedź

P = 12,19 kW
10.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: Cph = 941 µF

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 0,98) = 75·0,2031 = 15,23 kvar

Moc bierna z kondensatorów

QC = Q1 − Q2 = 50,91 kvar

Pojemność na fazę

W baterii połączonej w gwiazdę każdy kondensator jest włączony między przewód fazowy a punkt gwiazdowy.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 16971/(314,2·239,6²) = 941 µF

Odpowiedź

Cph = 941 µF
11.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: vL = 5,951 V

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 = 33 mH / 20 Ω = 1,65 ms
i(∞) = Vs/R = 20/20 = 1 A

Napięcie na cewce

W t = 0 całe napięcie zasilania jest na cewce; potem maleje do zera.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−2/1,65 = 5,951 V

Odpowiedź

vL = 5,951 V
12.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: vC = 7,722 V

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.

Wartość początkowa, wartość końcowa, stała czasowa

Napięcie na kondensatorze nie może zmienić się skokowo, więc zaczyna od zgromadzonej wartości i dąży do napięcia źródła.

vC(0) = 3 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 1 kΩ · 10 µF = 10 ms
vC(t) = 15 + (3 − 15)·e−t/τ

Napięcie w danej chwili

vC(5) = 15 + (−12)·e−5/10 = 7,722 V

Odpowiedź

vC = 7,722 V
13.Thévenin i Norton

Odpowiedź: Vth = 5,556 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​ = 12 ΩR3​ = 2 ΩZWARCIER2​15 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 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 2 = 8,667 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​15 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) = 10·15/(12+15) = 5,556 V
14.Thévenin i Norton

Odpowiedź: PL = 125,2 W

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​ = 25 ΩZWARCIER2​6 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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 25 = 27,4 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAIs​4 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) = 9 + 4·2,4 = 18,6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,6 + 4·25 = 118,6 V
Rth​ = 27,4 Ω+−Vth​118,6 VRL​20 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) = 118,6/(27,4 + 20) = 2,502 A
PL = IL²·RL = 2,502²·20 = 125,2 W
15.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: |G(jω)| = 1,48 dB

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.

Pomnóż moduły

|G(j10)| = 216/(√(10² + 6²)·√(10² + 12²)) = 216/(11,66·15,62) = 1,186

Wynik

20·log₁₀(1,186) = 1,48 dB

Odpowiedź

|G(jω)| = 1,48 dB
16.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: GM = 5,025 dB

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/4)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(4·10) = 6,325 rad/s

Moduł przy częstotliwości odcięcia fazy

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 100)) = K/(4·10·(4 + 10)) = K/560

Zapas wzmocnienia

GM = 20·log₁₀(560/314) = 5,025 dB

Odpowiedź

GM = 5,025 dB

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