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 zadania Wróć 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·e^jθ
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: z_k = R^1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Trójmian kwadratowy z p² < 4q: z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Metoda

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

Impedancja i wskazy AC

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

Metoda

Przelicz częstotliwość: ω = 2πf.
Wyznacz każdą reaktancję: X_L = ωL i X_C = 1/(ωC).
Dodawaj impedancje jak rezystory, z Z = R + jX.
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: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

Rezonans LC, dobroć i szerokość pasma

Częstotliwość drgań własnych: ω₀ = 1/√(LC), f₀ = 1/(2π√(LC))
Energia: W = ½CV₀² = ½Cv² + ½Li²
Prąd szczytowy: I_max = 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: f_1,2 = f₀(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Obwód rezonansowy z rezystancją cewki r: R_D = L/(C·r) = Q²·r
Zanikanie amplitudy: e^−Rt/(2L)

Metoda

Najpierw wyznacz częstotliwość rezonansową: ω₀ = 1/√(LC) i f₀ = ω₀/(2π).
Ustal, czy obwód jest szeregowy, czy równoległy: szeregowy Q = (1/R)√(L/C), równoległy Q = R√(C/L).
Szerokość pasma wyznacz ze wzoru BW = f₀/Q albo skrótów R/(2πL) (szeregowy) i 1/(2πRC) (równoległy).
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): V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Połączenie w trójkąt (Δ): V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
Całkowita moc czynna: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
Moc pozorna i bierna: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
Kondensatory do kompensacji: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
Napięcie na każdym kondensatorze: Δ: V_L Y: V_L/√3
Moc pobierana przez silnik: P_in = P_out/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; v_C nie może zmienić się skokowo
Cewka przy prądzie stałym: zwarcie; i_L nie może zmienić się skokowo
Stan ustalony: t ≈ 5τ

Metoda

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

Thévenin i Norton

Napięcie Thévenina: V_th = V_{open circuit}
Rezystancja Thévenina: R_th: wszystkie źródła wyłączone, widziana z a–b
Prąd Nortona: I_N = V_th/R_th
Prąd obciążenia: I_L = V_th/(R_th + R_L)
Maksymalne przekazywanie mocy: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

Metoda

Odłącz obciążenie i oznacz dwa zaciski a i b.
Wyznacz napięcie stanu jałowego między a i b: to jest V_th.
Wyłącz wszystkie niezależne źródła i wyznacz rezystancję widzianą z a–b: to jest R_th.
Podłącz obciążenie z powrotem do obwodu zastępczego: V_th szeregowo z R_th.
Dla obwodu zastępczego Nortona przelicz: I_N = V_th/R_th, z R_N = R_th równolegle.

2Zadania do ćwiczenia

1.Liczby zespoloneŚredni

Rysunek przedstawia z = 1 − j2. Przy w = 0,5∠90° kliknij punkt, który przedstawia z/w.

z = 1 − j2w = 0,5∠90°

1A (−4 − j2)
2B (4 + j2)
3C (2 − j4)
4D (−2 − j)

2.Liczby zespoloneTrudny

Użyj wzoru de Moivre’a, aby znaleźć część urojoną z⁶ dla z = 1 − j.

z = 1 − jn = 6

Im(z⁶) =

3.Impedancja i wskazy ACŚredni

Szeregowy obwód RLC z C = 1 µF ma być w rezonansie przy 2000 Hz. Wyznacz potrzebną indukcyjność L.

f₀ = 2000 HzC = 1 µF

L = mH

4.Impedancja i wskazy ACTrudny

Rezystor R₁ jest połączony szeregowo z równoległym połączeniem R₂ i kondensatora C i podłączony do zasilania 12 V (skuteczne), 500 Hz. Wyznacz wartość skuteczną prądu I.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR₁ = 40 ΩR₂ = 50 ΩC = 22 µF

I = A

5.Moc AC i współczynnik mocyŚredni

Odbiornik indukcyjny pobiera 10,5 A i 2016 W z jednofazowego zasilania 240 V (skuteczne). Zamodeluj go jako rezystancję R połączoną szeregowo z reaktancją X. Wyznacz X.

V = 240 VI = 10,5 AP = 2016 W

X = Ω

6.Moc AC i współczynnik mocyTrudny

Odbiornik jednofazowy pobiera 5 kW przy współczynniku mocy 0,75 (indukcyjnym) z zasilania 240 V, 50 Hz. Kondensator dołączony równolegle podnosi współczynnik mocy do 0,98. Wyznacz potrzebną pojemność C.

P = 5 kWpf₁ = 0,75pf₂ = 0,98V = 240 Vf = 50 Hz

C = µF

7.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasmaŚredni

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

R = 2,2 kΩL = 220 µHC = 22 nF

Q =

8.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasmaTrudny

Szeregowy obwód rezonansowy używa cewki 100 µH. Jaka całkowita rezystancja szeregowa R daje szerokość pasma 5 kHz?

L = 100 µHBW = 5 kHz

R = Ω

9.Moc w układach trójfazowychŚredni

Trójfazowy silnik indukcyjny oddaje przy pełnym obciążeniu 90 kW mocy mechanicznej. Przy tym obciążeniu jego sprawność wynosi 92%, a współczynnik mocy 0,8 (indukcyjny). Napięcie przewodowe sieci wynosi 415 V. Wyznacz prąd przewodowy I_L.

P_out = 90 kWη = 92%cos φ = 0,8V_L = 415 V

I_L = A

10.Moc w układach trójfazowychTrudny

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera 200 kW przy współczynniku mocy 0,7 (indukcyjnym) z sieci 400 V (napięcie przewodowe), 60 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 trójkąt. Wyznacz pojemność C_ph każdego kondensatora w µF.

P = 200 kWpf₁ = 0,7pf₂ = 0,98V_L = 400 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

11.Stany nieustalone RC i RLŚredni

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 v_C w chwili t = 20 ms.

V_s = 6 VR₁ = 3,3 kΩR₂ = 4,7 kΩC = 33 µFt = 20 ms

v_C = V

12.Stany nieustalone RC i RLTrudny

Tuż przed zamknięciem łącznika w t = 0 kondensator ma 18 V o zaznaczonej biegunowości. Po jakim czasie v_C osiągnie 13,8 V? Wyznacz t.

V_s = 12 VR = 2,2 kΩC = 47 µFv_C(0) = 18 V

t = ms

13.Thévenin i NortonŚredni

Wyznacz napięcie Thévenina V_th widziane z zacisków a–b.

V₁ = 6 VR₁ = 8 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 2 Ω

V_th = V

14.Thévenin i NortonTrudny

Między a–b podłączono obciążenie R_L = 25 Ω. Użyj układu zastępczego Thévenina, aby wyznaczyć moc P_L dostarczaną do obciążenia.

V₁ = 30 VI_s = 1,5 AR₁ = 15 ΩR₂ = 2 ΩR₃ = 20 ΩR_L = 25 Ω

P_L = W

15.Wykresy Bodego i zapasyŚredni

Filtr dolnoprzepustowy RC pokazany na rysunku ma R = 3,3 kΩ, C = 10 nF. Podano sinusoidalne wejście 14 kHz. Znajdź przesunięcie fazowe φ v_out względem v_in, w stopniach.

R = 3,3 kΩC = 10 nFf = 14 kHz

φ = °

16.Wykresy Bodego i zapasyTrudny

Pętla ze sprzężeniem jednostkowym ma transmitancję układu otwartego L(s) = 16/(s(s + 4)). Znajdź zapas fazy PM w stopniach.

L(s) = 16/(s(s + 4))

PM = °

3Roztwory

1.Liczby zespolone

Odpowiedź: A (−4 − j2)

Postać biegunowa: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·e^jθ, 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.

Działanie w

|z/w| = |z|/0,5, arg(z/w) = arg z − 90°

Punkt

z/w = −4 − j2 → A

Odpowiedź

A (−4 − j2)

2.Liczby zespolone

Odpowiedź: Im(z⁶) = 8

Wzór de Moivre’a i pierwiastki: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. Równanie zⁿ = R∠φ ma dokładnie n pierwiastków, wszystkie o module R^1/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.

Postać biegunowa

z = 1 − j = √2∠−45°

Wzór de Moivre’a

z⁶ = (√2)⁶∠−270° = 8∠90°

Postać algebraiczna

z⁶ = 8·(cos 90° + j sin 90°) = j8

Im(z⁶) = 8

Odpowiedź

Im(z⁶) = 8

3.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: L = 6,333 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·2000 = 12566 rad/s

L = 1/(ω₀²·C) = 1/(12566²·1·10⁻⁶) = 6,333 mH

Odpowiedź

L = 6,333 mH

4.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: I = 0,2617 A

Reaktancja

X_C = 1/(2π·500·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω

Połączenie równoległe

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

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 3,863 − j13,35 Ω

Impedancja całkowita

Z = 40 + 3,863 − j13,35 = 43,86 − j13,35 Ω

|Z| = √(43,86² + 13,35²) = 45,85 Ω

Prąd

I = V/|Z| = 12/45,85 = 0,2617 A

Odpowiedź

I = 0,2617 A

5.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: X = 13,71 Ω

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.

Rezystancja z mocy czynnej

R = P/I² = 2016/10,5² = 18,29 Ω

Reaktancja z impedancji

|Z| = V/I = 240/10,5 = 22,86 Ω

X = √(|Z|² − R²) = √(22,86² − 18,29²) = 13,71 Ω

Odpowiedź

X = 13,71 Ω

6.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: C = 187,6 µF

Moc bierna przed i po

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

Q₁ = P·tan φ₁ = 5·tan(41,41°) = 4,41 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 5·tan(11,48°) = 1,015 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 3,394 kvar

Pojemność

Kondensator dołączony do zasilania dostarcza Q = V²·ωC.

C = Q_C/(2πf·V²) = 3394/(2π·50·240²) = 187,6 µF

Odpowiedź

C = 187,6 µF

7.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasma

Odpowiedź: Q = 22

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 f_1,2 = 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) = 454545 rad/s

Dobroć

Q = R/(ω₀L) = 2200/(454545·0,00022) = 22

Odpowiedź

Q = 22

Szerokość pasma wynosi 1/(2πRC) = 3,288 kHz.

8.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasma

Odpowiedź: R = 3,142 Ω

Szerokość pasma obwodu szeregowego

BW = R/(2πL)

Rezystancja

R = 2π·1 × 10⁻⁴·5000 = 3,142 Ω

Odpowiedź

R = 3,142 Ω

9.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: I_L = 170,1 A

Elektryczna moc wejściowa

P_in = P_out/η = 90/0,92 = 97,83 kW

Prąd linii

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 97826/(√3·415·0,8) = 170,1 A

Odpowiedź

I_L = 170,1 A

10.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: C_ph = 903,1 µF

Symetryczne układy trójfazowe: w połączeniu w gwiazdę (Y) napięcie przewodowe jest √3 razy większe od napięcia fazowego, V_L = √3·V_ph, 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, I_L = √3·I_ph. Moc całkowita jest trzykrotnością mocy jednej fazy: P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ. Kompensacja mocy biernej: kondensatory dostarczają moc bierną lokalnie, Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂). Każdy z trzech kondensatorów dostarcza Q_C/3 = V²·ω·C, gdzie V to napięcie na tym kondensatorze: V_L w baterii połączonej w trójkąt, V_L/√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

Q_C = Q₁ − Q₂ = 163,4 kvar

Pojemność na fazę

W baterii połączonej w trójkąt każdy kondensator jest włączony między dwa przewody fazowe.

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 54476/(377·400²) = 903,1 µF

Odpowiedź

C_ph = 903,1 µF

11.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: v_C = 0,9463 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 R_th; rozewrzyj kondensator, aby wyznaczyć napięcie, do którego się naładuje.

R_th = R₁ ∥ R₂ = 3,3·4,7/(3,3 + 4,7) = 1,939 kΩ

v_C(∞) = 6·4,7/(3,3 + 4,7) = 3,525 V

Stała czasowa

τ = R_th·C = 1,939·33 = 63,98 ms

Krzywa ładowania

v_C(t) = 3,525·(1 − e^−20/63,98) = 0,9463 V

Odpowiedź

v_C = 0,9463 V

12.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: t = 124,5 ms

Wartość początkowa, wartość końcowa, stała czasowa

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

v_C(0) = 18 V, v_C(∞) = V_s = 12 V

τ = R·C = 2,2 kΩ · 47 µF = 103,4 ms

v_C(t) = 12 + (18 − 12)·e^−t/τ

Wyznacz czas

13,8 = 12 + (6)·e^−t/τ → e^−t/τ = (13,8 − 12)/(18 − 12) = 0,3

t = τ·ln((18 − 12)/(13,8 − 12)) = 103,4·ln(3,333) = 124,5 ms

Odpowiedź

t = 124,5 ms

13.Thévenin i Norton

Odpowiedź: V_th = 2 V

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

Wyznacz R_th przy wyłączonych wszystkich źródłach

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

R₁ ∥ R₂ = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2,667 + 2 = 4,667 Ω

Wyznacz V_th, 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.

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 6·4/(8+4) = 2 V

14.Thévenin i Norton

Odpowiedź: P_L = 14,96 W

Wyznacz R_th przy wyłączonych wszystkich źródłach

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

R₁ ∥ R₂ = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 1,765 + 20 = 21,76 Ω

Wyznacz V_th, 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.

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 3,529 + 1,5·1,765 = 6,176 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 6,176 + 1,5·20 = 36,18 V

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.

I_L = V_th/(R_th + R_L) = 36,18/(21,76 + 25) = 0,7736 A

P_L = I_L²·R_L = 0,7736²·25 = 14,96 W

15.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: φ = −70,99 °

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) ω_c = 1/(RC) lub R/L oraz f_c = ω_c/(2π); filtr dolnoprzepustowy daje |H| = 1/√(1 + (ω/ω_c)²) i φ = −atan(ω/ω_c). 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 ω_c: |L(jω)| = 1 (0 dB); zapas fazy PM = 180° + ∠L(jω_c). 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

ω_c = 1/(RC) = 1/(3300·1 × 10⁻⁸) = 30303 rad/s

f_c = 4823 Hz → f/f_c = 14000/4823 = 2,903

Faza

φ = − atan(2,903) = −70,99°

Odpowiedź

φ = −70,99°

16.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: PM = 51,83 °

Częstotliwość odcięcia wzmocnienia

ω⁴ + 16ω² − 256 = 0

ω² = (−16 + √(256 + 4·256))/2 = 9,889

ω_c = 3,145 rad/s

Zapas fazy

∠L(jω_c) = −90° − atan(3,145/4) = −128,2°

PM = 180° + ∠L = 51,83°

Odpowiedź

PM = 51,83°

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

Teoria obwodów 2: obwody prądu przemiennego: zestaw na powtórkę

1Wzory i metody

Liczby zespolone

Metoda

Impedancja i wskazy AC

Metoda

Moc AC i współczynnik mocy

Rezonans LC, dobroć i szerokość pasma

Metoda

Moc w układach trójfazowych

Stany nieustalone RC i RL

Metoda

Thévenin i Norton

Metoda

2Zadania do ćwiczenia

3Roztwory

Działanie w

Punkt

Odpowiedź

Postać biegunowa

Wzór de Moivre’a

Postać algebraiczna

Odpowiedź

Warunek rezonansu

Odpowiedź

Reaktancja

Połączenie równoległe

Impedancja całkowita

Prąd

Odpowiedź

Rezystancja z mocy czynnej

Reaktancja z impedancji

Odpowiedź

Moc bierna przed i po

Pojemność

Odpowiedź

Częstotliwość rezonansowa

Dobroć

Odpowiedź

Szerokość pasma obwodu szeregowego

Rezystancja

Odpowiedź

Elektryczna moc wejściowa

Prąd linii

Odpowiedź

Moc bierna przed i po

Moc bierna z kondensatorów

Pojemność na fazę

Odpowiedź

Obwód zastępczy Thevenina widziany przez kondensator

Stała czasowa

Krzywa ładowania

Odpowiedź

Wartość początkowa, wartość końcowa, stała czasowa

Wyznacz czas

Odpowiedź

Wyznacz Rth przy wyłączonych wszystkich źródłach

Wyznacz Vth, napięcie stanu jałowego

Wyznacz Rth przy wyłączonych wszystkich źródłach

Wyznacz Vth, napięcie stanu jałowego

Podłącz obciążenie do układu zastępczego Thévenina

Częstotliwość graniczna

Faza

Odpowiedź

Częstotliwość odcięcia wzmocnienia

Zapas fazy

Odpowiedź

Wyznacz R_th przy wyłączonych wszystkich źródłach

Wyznacz V_th, napięcie stanu jałowego

Wyznacz R_th przy wyłączonych wszystkich źródłach

Wyznacz V_th, napięcie stanu jałowego