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
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂w

Dane są z₁ = 3∠125° i z₂ = 1,5∠−25°. Znajdź część urojoną liczby w = z₁/z₂.

z₁ = 3∠125°z₂ = 1,5∠−25°
Im(w) =
2.Liczby zespoloneTrudny
ReIm11−1−122−2−2ABCD

Dokładnie jeden z punktów A–D jest pierwiastkiem równania z⁴ = 16∠−90°. Kliknij go.

w = 16∠−90°n = 4
  1. 1A (2∠67,5°)
  2. 2B (2∠−90°)
  3. 3C (2∠112,5°)
  4. 4D (1∠67,5°)
3.Impedancja i wskazy ACŚredni
12 V60 HzR = 30 ΩL = 150 mHI

Rezystor i cewka są połączone równolegle i podłączone do zasilania 12 V (skuteczne), 60 Hz. Wyznacz kąt fazowy φ impedancji w stopniach (dodatni, gdy prąd opóźnia się względem napięcia).

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 150 mH
φ = °
4.Impedancja i wskazy ACTrudny
VfR = 10 ΩL = 10 mHC = 10 µF

Szeregowy obwód RLC ma R = 10 Ω, L = 10 mH i C = 10 µF. Wyznacz jego pasmo przenoszenia B (szerokość pasma między częstotliwościami połowy mocy) w Hz.

R = 10 ΩL = 10 mHC = 10 µF
B = Hz
5.Moc AC i współczynnik mocyŚredni
230 V16 kW, 0,6522 kW, 0,85I = ?

Do jednofazowego zasilania 230 V podłączono równolegle dwa odbiorniki: odbiornik 6 kW przy współczynniku mocy 0,65 (indukcyjnym) oraz odbiornik 2 kW przy współczynniku mocy 0,85 (pojemnościowym). Wyznacz prąd całkowity I pobierany z zasilania.

V = 230 VP1 = 6 kW, pf1 = 0,65 indukcyjnyP2 = 2 kW, pf2 = 0,85 pojemnościowy
I = A
6.Moc AC i współczynnik mocyTrudny
12 V1000 HzRs​ = 8 ΩXs​ = j6 ΩZL​ = ?

Źródło 12 V (skuteczne), 1000 Hz ma impedancję wewnętrzną Zs = 8 + j6 Ω. Impedancję obciążenia ZL można dobrać dowolnie. Wyznacz maksymalną moc czynną Pmax, jaką można dostarczyć do obciążenia.

Vs = 12 V (rms)f = 1000 HzZs = 8 + j6 Ω
Pmax = W
7.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasmaŚredni
C = 2,2 µF+−7,5 VL = 47 µHiL​

Kondensator 2,2 µF naładowany do 10 V drga z idealną cewką 47 µH. Wyznacz energię WL zgromadzoną w cewce w chwili, gdy napięcie na kondensatorze wynosi 7,5 V, w µJ.

C = 2,2 µFV0 = 10 VvC = 7,5 V
WL = µJ
8.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasmaTrudny
VR = ?47 mHC

Szeregowy obwód rezonansowy używa cewki 47 mH. Jaka całkowita rezystancja szeregowa R daje szerokość pasma 2 kHz?

L = 47 mHBW = 2 kHz
R = Ω
9.Moc w układach trójfazowychŚredni
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M11 kW, η = 92%cos φ = 0,88

Trójfazowy silnik indukcyjny oddaje przy pełnym obciążeniu 11 kW mocy mechanicznej. Przy tym obciążeniu jego sprawność wynosi 92%, a współczynnik mocy 0,88 (indukcyjny). Napięcie przewodowe sieci wynosi 400 V. Wyznacz prąd przewodowy IL.

Pout = 11 kWη = 92%cos φ = 0,88VL = 400 V
IL = A
10.Moc w układach trójfazowychTrudny
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera 250 kW przy współczynniku mocy 0,78 (indukcyjnym) z sieci 690 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 = 250 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Stany nieustalone RC i RLŚredni
+−Vs​24 Vt = 0R = 22 ΩL150 mHi(t)

Przed zamknięciem łącznika w t = 0 przez cewkę nie płynie prąd. Wyznacz prąd i w chwili t = 15 ms.

Vs = 24 VR = 22 ΩL = 150 mHt = 15 ms
i = A
12.Stany nieustalone RC i RLTrudny
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C47 µF+−vC​

W t = 0 układ czasowy zaczyna ładować nienaładowany kondensator przez rezystor ze źródła 5 V. Ma zadziałać, gdy napięcie kondensatora osiągnie 2,5 V, dokładnie 25 ms po starcie. Przy C = 47 µF wyznacz potrzebną rezystancję R.

Vs = 5 VVth = 2,5 VT = 25 msC = 47 µF
R = kΩ
13.Thévenin i NortonŚredni
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAab

Wyznacz napięcie Thévenina Vth widziane z zacisków a–b.

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
14.Thévenin i NortonTrudny
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAIs​1 ABRL​25 ΩIL​

Między a–b podłączono obciążenie RL = 25 Ω. Zastąp resztę obwodu jego zastępczym układem Thévenina i wyznacz prąd obciążenia IL.

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩRL = 25 Ω
IL = A
15.Wykresy Bodego i zapasyŚredni
vin​L = 50 mHC = 4,7 µFR = 10 Ωvout​

W pokazanym szeregowym filtrze środkowoprzepustowym RLC wyjście jest brane na R = 10 Ω, przy L = 50 mH i C = 4,7 µF. Znajdź częstotliwość środkową (rezonansową) f0 w Hz.

R = 10 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
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) = 72/(s(s + 4)(s + 5)). Znajdź zapas wzmocnienia GM w dB.

L(s) = 72/(s(s + 4)(s + 5))
GM = dB

3Roztwory

1.Liczby zespolone

Odpowiedź: Im(w) = 1

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| = 3 / 1,5 = 2
θ = 125° − (−25)° = 150°

Postać algebraiczna

Re(w) = 2·cos(150°) = −1,732
Im(w) = 2·sin(150°) = 1
Im(w) = 1

Odpowiedź

Im(w) = 1
2.Liczby zespolone

Odpowiedź: A (2∠67,5°)

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 i argumenty pierwiastków

|z| = 2
θ = −22,5°, 67,5°, 157,5°, −112,5°

Punkt

A = 2∠67,5°

Odpowiedź

A (2∠67,5°)
3.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: φ = 27,95 °

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·60·0,15 = 56,55 Ω

Prądy gałęzi

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

IR = V/R = 12/30 = 0,4 A
IX = V/XL = 12/56,55 = 0,2122 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) = √(0,4² + 0,2122²) = 0,4528 A

Kąt fazowy

Prąd cewki opóźnia się względem V, więc prąd całkowity też się opóźnia, a kąt jest dodatni.

φ = arctan(IX/IR) = arctan(0,2122/0,4) = 27,95°

Odpowiedź

φ = 27,95°
4.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: B = 159,2 Hz

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|.

Częstotliwość rezonansowa

f0 = 1/(2π·√(0,01·10·10⁻⁶)) = 503,3 Hz

Dobroć

Q porównuje reaktancję w rezonansie z rezystancją: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,01/(10·10⁻⁶)) = 3,162

Pasmo przenoszenia

B = f0/Q = 503,3/3,162 = 159,2 Hz

Odpowiedź

B = 159,2 Hz
5.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: I = 42,9 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.

Moc bierna każdego odbiornika

Odbiornik indukcyjny pobiera moc bierną (Q > 0); odbiornik pojemnościowy ją oddaje (Q < 0).

Q1 = 6·tan(arccos 0,65) = 7,015 kvar
Q2 = −2·tan(arccos 0,85) = −1,239 kvar

Sumy

P = 6 + 2 = 8 kW
Q = 7,015 + (−1,239) = 5,775 kvar
S = √(8² + 5,775²) = 9,867 kVA

Prąd całkowity

I = S/V = 9867/230 = 42,9 A

Odpowiedź

I = 42,9 A
6.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: Pmax = 4,5 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* = 8 − j6 Ω

Moc maksymalna

I = Vs/(2Rs) = 12/16 = 0,75 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 12²/(4·8) = 4,5 W

Odpowiedź

Pmax = 4,5 W
7.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasma

Odpowiedź: WL = 48,13 µJ

Rezonans LC: naładowany kondensator połączony z cewką wymusza prąd, który ładuje go w przeciwną stronę: energia przepływa między polem elektrycznym C (½Cv²) a polem magnetycznym L (½Li²) z częstotliwością drgań własnych f0 = 1/(2π√(LC)). Bez rezystancji całkowita energia ½CV0² jest stała, więc prąd szczytowy wynosi Imax = V0√(C/L). Jeden okres to T = 1/f0; energia przechodzi z C do L w ciągu jego ćwierci.

Energia całkowita

½·2,2 × 10⁻⁶·10² = 0,00011 J

Energia pozostała w kondensatorze

½·2,2 × 10⁻⁶·7,5² = 6,187 × 10⁻⁵ J

Energia w cewce

WL = 4,813 × 10⁻⁵ J = 48,13 µJ

Odpowiedź

WL = 48,13 µJ
8.Rezonans LC, dobroć i szerokość pasma

Odpowiedź: R = 590,6 Ω

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).

Szerokość pasma obwodu szeregowego

BW = R/(2πL)

Rezystancja

R = 2π·0,047·2000 = 590,6 Ω

Odpowiedź

R = 590,6 Ω
9.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: IL = 19,61 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 = 11/0,92 = 11,96 kW

Prąd linii

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 11957/(√3·400·0,88) = 19,61 A

Odpowiedź

IL = 19,61 A
10.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: QC = 149,8 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 = 250·tan(acos 0,78) = 250·0,8023 = 200,6 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,98) = 250·0,2031 = 50,76 kvar

Moc bierna z kondensatorów

QC = Q1 − Q2 = 149,8 kvar

Odpowiedź

QC = 149,8 kvar
11.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: i = 0,97 A

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 = 150 mH / 22 Ω = 6,818 ms
i(∞) = Vs/R = 24/22 = 1,091 A

Prąd w danej chwili

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 1,091·(1 − e−15/6,818) = 0,97 A

Odpowiedź

i = 0,97 A
12.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: R = 0,7674 kΩ

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.

Wymagana stała czasowa

2,5 = 5·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(5/(5 − 2,5))
τ = 25/0,6931 = 36,07 ms

Rezystancja

kΩ razy µF daje milisekundy.

R = τ/C = 36,07/47 = 0,7674 kΩ

Odpowiedź

R = 0,7674 kΩ
13.Thévenin i Norton

Odpowiedź: Vth = 6,429 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​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩZWARCIER2​6 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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 4 = 7,429 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​6 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) = 15·6/(8+6) = 6,429 V
14.Thévenin i Norton

Odpowiedź: IL = 0,619 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​ = 15 ΩR3​ = 20 ΩZWARCIER2​15 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 = 15·15/(15+15) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 20 = 27,5 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAIs​1 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) = 5 + 1·7,5 = 12,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,5 + 1·20 = 32,5 V
Rth​ = 27,5 Ω+−Vth​32,5 VRL​25 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) = 32,5/(27,5 + 25) = 0,619 A
15.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: f0 = 328,3 Hz

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 rezonansowa

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·4,7 × 10⁻⁶) = 2063 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 328,3 Hz

Odpowiedź

f0 = 328,3 Hz
16.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: GM = 7,959 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/5) = 1 → ω180 = √(4·5) = 4,472 rad/s

Moduł przy częstotliwości odcięcia fazy

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

Zapas wzmocnienia

GM = 20·log₁₀(180/72) = 7,959 dB

Odpowiedź

GM = 7,959 dB

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