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
ReIm22−2−244−4−4θz

Znajdź argument θ liczby z = −5 − j3 w stopniach, jako wartość główną między −180° a 180°.

z = −5 − j3
θ = °
2.Liczby zespoloneTrudny
ReIm22−2−244−4−4z₀z₁z₂

Pierwiastki zⁿ = w z n = 3 i w = 64∠135° to zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2. Znajdź część urojoną z₁.

w = 64∠135°n = 3k = 1
Im(z₁) =
3.Impedancja i wskazy ACŚredni
12 V1000 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF

Szeregowy obwód RLC jest podłączony do zasilania 12 V (skuteczne), 1000 Hz. Wyznacz kąt fazowy φ impedancji w stopniach (dodatni, gdy prąd opóźnia się względem napięcia).

V = 12 V (rms)f = 1000 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
φ = °
4.Impedancja i wskazy ACTrudny
12 Vf0​R = 50 ΩL = 50 mHC = 0,22 µF

Szeregowy obwód RLC jest zasilany ze źródła 12 V (skuteczne), którego częstotliwość ustawiono na częstotliwość rezonansową obwodu. Wyznacz wartość skuteczną napięcia VL na cewce.

V = 12 V (rms)R = 50 ΩL = 50 mHC = 0,22 µF
VL = V
5.Moc AC i współczynnik mocyŚredni
P = 11 kWQ = ?Sφ

Silnik jednofazowy pobiera 11 kW przy współczynniku mocy 0,8 (indukcyjnym) z zasilania 230 V. Wyznacz moc bierną Q, którą pobiera.

P = 11 kWpf = 0,8V = 230 V
Q = kvar
6.Moc AC i współczynnik mocyTrudny
24 V50 HzRs​ = 2 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

Źródło 24 V (skuteczne), 50 Hz ma impedancję wewnętrzną Zs = 2 + j20 Ω. Impedancję obciążenia ZL można dobrać dowolnie. Wyznacz maksymalną moc czynną Pmax, jaką można dostarczyć do obciążenia.

Vs = 24 V (rms)f = 50 HzZs = 2 + j20 Ω
Pmax = W
7.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasmaŚredni
V1 kΩ220 µH1 µF

Równoległy obwód RLC ma R = 1 kΩ, L = 220 µH i C = 1 µF. Wyznacz jego dobroć Q.

R = 1 kΩL = 220 µHC = 1 µF
Q =
8.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasmaTrudny
V10 Ω10 mH100 nF20 mA

Szeregowy obwód RLC (R = 10 Ω, L = 10 mH, C = 100 nF) jest zasilany w rezonansie prądem o amplitudzie 20 mA. Wyznacz energię Ecycle rozpraszaną w R w ciągu jednego cyklu, w nJ.

R = 10 ΩL = 10 mHC = 100 nFIm = 20 mA
Ecycle = nJ
9.Moc w układach trójfazowychŚredni
ABCVL​ = 480 VNZ = 5 + j12 Ωna fazę

Symetryczny odbiornik połączony w gwiazdę o impedancji 5 + j12 Ω na fazę jest przyłączony do symetrycznej sieci trójfazowej o napięciu przewodowym 480 V. Wyznacz całkowitą moc czynną P pobieraną przez odbiornik w kW.

VL = 480 VZ = 5 + j12 Ω na fazę
P = kW
10.Moc w układach trójfazowychTrudny
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera 200 kW przy współczynniku mocy 0,7 (indukcyjnym) z sieci 480 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. Wyznacz całkowitą moc bierną QC, którą musi dostarczyć bateria kondensatorów, w kvar.

P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Stany nieustalone RC i RLŚredni
+−Vs​10 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 10 kΩC47 µF+−vC​

Źródło Vₛ ładuje kondensator przez R₁, a R₂ jest połączony równolegle z C. Kondensator jest rozładowany, gdy łącznik zamyka się w t = 0. Wyznacz napięcie na kondensatorze vC w chwili t = 75 ms.

Vs = 10 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩC = 47 µFt = 75 ms
vC = V
12.Stany nieustalone RC i RLTrudny
+−Vs​6 VR1​ = 47 ΩR2​ = 22 Ωotwiera się w t = 0L100 mHi(t)

Łącznik równoległy do R2 był długo zamknięty, więc prąd cewki jest ustalony. W t = 0 łącznik się otwiera. Po jakim czasie od t = 0 prąd cewki osiągnie 0,115 A? Wyznacz t.

Vs = 6 VR1 = 47 ΩR2 = 22 ΩL = 100 mH
t = ms
13.Thévenin i NortonŚredni
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAab

Wyznacz prąd Nortona IN: prąd płynący od a do b, gdy zaciski są zwarte.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
14.Thévenin i NortonTrudny
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAIs​3 ABRL​30 ΩIL​

Między a–b podłączono obciążenie RL = 30 Ω. Zastąp resztę obwodu jego zastępczym układem Thévenina i wyznacz prąd obciążenia IL.

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 ΩRL = 30 Ω
IL = A
15.Wykresy Bodego i zapasyŚredni
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 8

Znajdź fazę ∠G(jω) G(s) = 42(s + 5)/(s(s + 13)) przy ω = 8 rad/s, w stopniach.

G(s) = 42(s + 5)/(s(s + 13))ω = 8 rad/s
∠G(jω) = °
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) = K/(s(s + 2)(s + 10)). Znajdź wzmocnienie K, które daje zapas wzmocnienia 5 dB.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10))GM = 5 dB
K =

3Roztwory

1.Liczby zespolone

Odpowiedź: θ = −149 °

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.

Ćwiartka

a = −5, b = −3 → III

Kąt odniesienia

α = atan(3/5) = 30,96°

Argument

θ = −(180° − α) = −149°

Odpowiedź

θ = −149°

W postaci biegunowej z = 5,831∠−149°.

2.Liczby zespolone

Odpowiedź: Im(z₁) = 1,035

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.

Moduł pierwiastków

641/3 = 4

Argument pierwiastka

θ₁ = (135° + 360°·1)/3 = 165°

Postać algebraiczna

z₁ = 4·(cos 165° + j sin 165°) = −3,864 + j1,035
Im(z₁) = 1,035

Odpowiedź

Im(z₁) = 1,035

Pierwiastki (3) leżą na okręgu o promieniu 4, w odstępach 120°.

3.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: φ = 85,19 °

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,1 = 628,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·4,7·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Impedancja

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (594,5)²) = 596,6 Ω

Kąt fazowy

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(594,5/50) = 85,19°

Odpowiedź

φ = 85,19°
4.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: VL = 114,4 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|.

Rezonans

W rezonansie reaktancje się znoszą, więc impedancja jest równa samemu R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·0,22·10⁻⁶) = 9535 rad/s
I = V/R = 12/50 = 0,24 A

Napięcie na cewce

XL = ω₀L = 9535·0,05 = 476,7 Ω
VL = I·XL = 0,24·476,7 = 114,4 V

Odpowiedź

VL = 114,4 V

To Q = 9,535 razy napięcie zasilania.

5.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: Q = 8,25 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.

Kąt

φ = arccos(0,8) = 36,87°, tan φ = 0,75

Moc bierna

Q = P·tan φ = 11·0,75 = 8,25 kvar

Odpowiedź

Q = 8,25 kvar
6.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: Pmax = 72 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.

Dopasowanie sprzężone

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

ZL = Zs* = 2 − j20 Ω

Moc maksymalna

I = Vs/(2Rs) = 24/4 = 6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·2) = 72 W

Odpowiedź

Pmax = 72 W
7.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasma

Odpowiedź: Q = 67,42

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

ω₀ = 1/√(LC) = 67420 rad/s

Dobroć

Q = R/(ω₀L) = 1000/(67420·0,00022) = 67,42

Odpowiedź

Q = 67,42

Szerokość pasma wynosi 1/(2πRC) = 159,2 Hz.

8.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasma

Odpowiedź: Ecycle = 397,4 nJ

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).

Zgromadzona energia

W = ½·0,01·0,02² = 2 × 10⁻⁶ J

Dobroć

Q = (1/10)·√(0,01/1 × 10⁻⁷) = 31,62

Energia tracona w jednym cyklu

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·2 × 10⁻⁶/31,62 = 3,974 × 10⁻⁷ J = 397,4 nJ
sprawdzenie: ½·0,02²·10/5033 = 3,974 × 10⁻⁷ J

Odpowiedź

Ecycle = 397,4 nJ
9.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: P = 6,817 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.

Napięcie fazowe

Vph = 480/√3 = 277,1 V

Prąd fazowy

|Z| = √(5² + 12²) = 13 Ω
Iph = 277,1/13 = 21,32 A

Całkowita moc czynna

Moc czynną pobiera tylko rezystancyjna część każdej impedancji.

P = 3·Iph²·R = 3·21,32²·5 = 6,817 kW

Odpowiedź

P = 6,817 kW

Sprawdzenie: cos φ = R/|Z| = 0,3846, a √3·VL·IL·cos φ daje tę samą moc.

10.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: QC = 163,4 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 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,98) = 200·0,2031 = 40,61 kvar

Moc bierna z kondensatorów

QC = Q1 − Q2 = 163,4 kvar

Odpowiedź

QC = 163,4 kvar
11.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: vC = 7,52 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.

Obwód zastępczy Thevenina widziany przez kondensator

Zewrzyj źródło, aby wyznaczyć Rth; rozewrzyj kondensator, aby wyznaczyć napięcie, do którego się naładuje.

Rth = R1 ∥ R2 = 1·10/(1 + 10) = 0,9091 kΩ
vC(∞) = 10·10/(1 + 10) = 9,091 V

Stała czasowa

τ = Rth·C = 0,9091·47 = 42,73 ms

Krzywa ładowania

vC(t) = 9,091·(1 − e−75/42,73) = 7,52 V

Odpowiedź

vC = 7,52 V
12.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: t = 0,5399 ms

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

Przed t = 0 zamknięty łącznik bocznikuje R₂; potem w obwodzie są zarówno R₁, jak i R₂.

i(0) = 6/47 = 0,1277 A
i(∞) = 6/(47 + 22) = 0,08696 A
τ = L/R = 100/69 = 1,449 ms
i(t) = 0,08696 + (0,1277 − 0,08696)·e−t/τ

Wyznacz czas

e−t/τ = (0,115 − 0,08696)/(0,1277 − 0,08696) = 0,689
t = 1,449·ln(1,451) = 0,5399 ms

Odpowiedź

t = 0,5399 ms
13.Thévenin i Norton

Odpowiedź: IN = 0,08571 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​ = 20 ΩR3​ = 20 ΩZWARCIER2​4 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 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 20 = 23,33 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​4 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) = 12·4/(20+4) = 2 V
IN​0,08571 ARth​23,33 Ωab

Układ zastępczy Nortona

Źródło Nortona to ten sam obwód widziany jako źródło prądu równolegle z R_th. Jego prąd to prąd zwarcia na a–b.

IN = Vth/Rth = 2/23,33 = 0,08571 A
14.Thévenin i Norton

Odpowiedź: IL = 1,704 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​ = 3 ΩR3​ = 30 ΩZWARCIER2​10 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 30 = 32,31 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​10 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) = 9,231 + 3·2,308 = 16,15 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,15 + 3·30 = 106,2 V
Rth​ = 32,31 Ω+−Vth​106,2 VRL​30 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) = 106,2/(32,31 + 30) = 1,704 A
15.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: ∠G(jω) = −63,61 °

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.

Dodaj kąty

∠G = atan(8/5) − 90° − atan(8/13) = 57,99° − 90° − 31,61°

Wynik

∠G(j8) = −63,61°

Odpowiedź

∠G(jω) = −63,61°
16.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: K = 135

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/2)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(2·10) = 4,472 rad/s

Moduł przy częstotliwości odcięcia fazy

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 100)) = K/(2·10·(2 + 10)) = K/240

Wymagane wzmocnienie

240/K = 105/20 = 1,778
K = 240/1,778 = 135

Odpowiedź

K = 135

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