Теория электрических цепей 2: цепи переменного тока: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (16) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Комплексные числа

Алгебраическая форма
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Модуль и аргумент
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Полярная и показательная форма
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Деление
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Произведение и частное
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
Муавр
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
Корни n-й степени
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Квадратное уравнение при p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Метод

  1. Решите, какая форма подходит для операции: алгебраическая a + jb для сложения и вычитания, полярная r∠θ для умножения, деления, степеней и корней.
  2. Умножайте, раскрывая скобки с j² = −1; делите, умножая числитель и знаменатель на число, сопряжённое знаменателю.
  3. Переводите по формулам r = √(a² + b²) и θ по чертежу точки (проверьте четверть), а обратно — по a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Для степеней используйте формулу Муавра, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; для zⁿ = R∠φ перечислите все n корней R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Полные сопротивления
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Угловая частота
ω = 2πf
Модуль и угол
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Закон Ома в комплексной форме
V = I·Z

Метод

  1. Переведите частоту: ω = 2πf.
  2. Найдите каждое реактивное сопротивление: XL = ωL и XC = 1/(ωC).
  3. Складывайте сопротивления как у резисторов, с Z = R + jX.
  4. Найдите модуль |Z| = √(R² + X²) и угол φ = atan(X/R), затем примените закон Ома для комплексных амплитуд.

Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Активная мощность
P = V·I·cos φ
Реактивная мощность
Q = V·I·sin φ
Полная мощность
S = V·I = √(P² + Q²)
Коэффициент мощности
pf = cos φ = P/S
Компенсирующий конденсатор
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Собственная частота
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Энергия
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Пиковый ток
Imax = V0√(C/L)
Добротность
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
Последовательный RLC-контур
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
Параллельный RLC-контур
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Полоса пропускания
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Частоты половинной мощности
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Контур с сопротивлением катушки r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Затухание амплитуды
e−Rt/(2L)

Метод

  1. Сначала найдите резонансную частоту: ω₀ = 1/√(LC) и f₀ = ω₀/(2π).
  2. Определите, какой контур перед вами, последовательный или параллельный: последовательный Q = (1/R)√(L/C), параллельный Q = R√(C/L).
  3. Для полосы пропускания используйте BW = f₀/Q или краткие формулы R/(2πL) (последовательный) и 1/(2πRC) (параллельный).
  4. В задачах на энергию учитывайте, что полная энергия ½CV₀² в идеальном LC-контуре остаётся постоянной и каждую четверть периода переходит между C и L.

Трёхфазная мощность

Соединение звездой (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Соединение треугольником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Полная активная мощность
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Полная и реактивная мощность
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсирующие конденсаторы
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напряжение на каждом конденсаторе
Δ: VL Y: VL/√3
Потребляемая мощность двигателя
Pin = Pout/η

Переходные процессы RC и RL

Постоянная времени
τ = RC | τ = L/R
Отклик
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постоянном токе
разрыв; vC не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе
короткое замыкание; iL не может измениться скачком
Установившийся режим
t ≈ 5τ

Метод

  1. Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
  2. Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
  3. Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
  4. Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Тевенин и Нортон

Напряжение Тевенина
Vth = Vopen circuit
Сопротивление Тевенина
Rth: все источники отключены, со стороны a–b
Ток Нортона
IN = Vth/Rth
Ток нагрузки
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальной мощности
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Метод

  1. Отключите нагрузку и обозначьте два зажима a и b.
  2. Найдите напряжение холостого хода между a и b: это Vth.
  3. Отключите все независимые источники и найдите сопротивление со стороны a–b: это Rth.
  4. Верните нагрузку в эквивалентную схему: Vth последовательно с Rth.
  5. Для эквивалента Нортона преобразуйте: IN = Vth/Rth, с RN = Rth параллельно.

2Тренировочные задачи

1.Комплексные числаСредняя
ReIm22−2−244−4−466−6−6z₁z₂w

Даны z₁ = 4∠30° и z₂ = 0,5∠80°. Найдите аргумент θ числа w = z₁/z₂ в градусах, между −180° и 180°.

z₁ = 4∠30°z₂ = 0,5∠80°
θ = °
2.Комплексные числаСложная
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃z₄z₅

Корни уравнения zⁿ = w при n = 6 и w = 64∠−120° равны zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, …, 5. Найдите мнимую часть z₀.

w = 64∠−120°n = 6k = 0
Im(z₀) =
3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
120 V60 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
50 V200 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 50 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
240 V110 kW, 0,85227 kW, 1I

К однофазной сети 240 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 10 kW при коэффициенте мощности 0,85 (индуктивном) и нагреватель мощностью 27 kW (коэффициент мощности 1). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

V = 240 VP1 = 10 kW, pf1 = 0,85 отстающийP2 = 27 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P1​ = 50 kWQ1​S1​φ

Однофазный трансформатор 150 kVA питает нагрузку 50 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном). Какую дополнительную активную мощность ΔP можно добавить в виде активной нагрузки (коэффициент мощности 1), прежде чем трансформатор достигнет своей номинальной мощности в kVA?

Smax = 150 kVAP1 = 50 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
V10 kΩ47 µH1 nF

Параллельный RLC-контур имеет R = 10 kΩ, L = 47 µH и C = 1 nF. Найдите его добротность Q.

R = 10 kΩL = 47 µHC = 1 nF
Q =
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
C = 4,7 nFr = 2 ΩL = 1 mH

Параллельный колебательный контур состоит из конденсатора 4,7 nF и катушки 1 mH с сопротивлением обмотки 2 Ω. При резонансе он ведёт себя как резистор с динамическим сопротивлением RD = L/(C·r). Найдите RD в kΩ.

L = 1 mHC = 4,7 nFr = 2 Ω
RD = kΩ
9.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 415 VIL​ = 40 Acos φ = 0,88отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 40 A от сети с линейным напряжением 415 V. Коэффициент мощности 0,88 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 415 VIL = 40 Acos φ = 0,88
P = kW
10.Трёхфазная мощностьСложная
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 80 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 415 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 80 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 ΩL68 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 90% конечного значения? Найдите t.

Vs = 24 VR = 10 ΩL = 68 mH
t = ms
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 VR1​ = 20 ΩR2​ = 47 Ωзамыкается при t = 0L100 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Найдите ток катушки i при t = 10 ms.

Vs = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 47 ΩL = 100 mHt = 10 ms
i = A
13.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 Ω
Rth = Ω
14.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAIs​4 ABRL​6 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 6 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 9 VIs = 4 AR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩRL = 6 Ω
PL = W
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 3

Найдите фазу ∠G(jω) функции G(s) = 18(s + 12)/(s(s + 8)) при ω = 3 rad/s в градусах.

G(s) = 18(s + 12)/(s(s + 8))ω = 3 rad/s
∠G(jω) = °
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 20/(s(s + 8)). Найдите запас по фазе PM в градусах.

L(s) = 20/(s(s + 8))
PM = °

3Растворы

1.Комплексные числа

Ответ: θ = −50 °

Полярная форма: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, где r = |z| и θ = arg z. Обратно к алгебраической форме: a = r cos θ, b = r sin θ. Для аргумента нужна четверть: θ = atan(b/a) только при a > 0; при a < 0 прибавьте или вычтите 180°. В полярной форме умножение простое: перемножьте модули и сложите аргументы; при делении разделите модули и вычтите аргументы.

Модуль и аргумент w

|w| = 4 / 0,5 = 8
θ = 30° − 80° = −50°

Аргумент

θ = −50°

Ответ

θ = −50°
2.Комплексные числа

Ответ: Im(z₀) = −0,684

Формула Муавра и корни: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. Уравнение zⁿ = R∠φ имеет ровно n корней, все с модулем R1/n, при аргументах (φ + 360°·k)/n для k = 0, 1, …, n − 1: они лежат равномерно на окружности, через 360°/n. Квадратное уравнение z² + pz + q = 0 при p² < 4q имеет комплексные корни z = −p/2 ± j√(q − p²/4); многочлен с действительными коэффициентами всегда имеет комплексные корни парами сопряжённых a ± jb.

Модуль корней

641/6 = 2

Аргумент корня

θ₀ = (−120° + 360°·0)/6 = −20°

Алгебраическая форма

z₀ = 2·(cos −20° + j sin −20°) = 1,879 − j0,684
Im(z₀) = −0,684

Ответ

Im(z₀) = −0,684

6 корней лежат на окружности радиуса 2 с угловым шагом 60°.

3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 2,71 A

Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.

Реактивные сопротивления

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,02 = 7,54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Полное сопротивление

При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−18,99)²) = 44,28 Ω

Ток

Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.

I = V/|Z| = 120/44,28 = 2,71 A

Ответ

I = 2,71 A
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: f0 = 189,6 Hz

Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.

Резонанс

При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC). Частота сети не важна.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,15·4,7·10⁻⁶)) = 189,6 Hz

Ответ

f0 = 189,6 Hz
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,9863

Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.

Реактивная мощность каждой нагрузки

Индуктивная нагрузка потребляет реактивную мощность (Q > 0); ёмкостная — отдаёт её (Q < 0).

Q1 = 10·tan(arccos 0,85) = 6,197 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Суммы

P = 10 + 27 = 37 kW
Q = 6,197 + 0 = 6,197 kvar
S = √(37² + 6,197²) = 37,52 kVA

Общий коэффициент мощности

cos φ = P/S = 37/37,52 = 0,9863 отстающий

Ответ

cos φ = 0,9863
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: ΔP = 95,24 kW

Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.

Реактивная мощность существующей нагрузки

Q1 = 50·tan(arccos 0,8) = 37,5 kvar

Наибольшая суммарная активная мощность

При полной нагрузке S = Smax, а Q от активной нагрузки не меняется.

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 37,5²) = 145,2 kW

Дополнительная активная мощность

ΔP = 145,2 − 50 = 95,24 kW

Ответ

ΔP = 95,24 kW
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: Q = 46,13

Добротность и полоса пропускания: в резонансном контуре Q = 2π·(запасённая энергия)/(энергия, теряемая за период). Для последовательного RLC Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); для параллельного RLC Q = R/(ω0L) = R√(C/L). Полоса пропускания между частотами половинной мощности f1 и f2 (где мощность вдвое меньше, а ток или напряжение составляют 1/√2 от пикового) равна BW = f2 − f1 = f0/Q, то есть R/(2πL) для последовательного и 1/(2πRC) для параллельного контура. Резонансная частота — это среднее геометрическое f0 = √(f1f2), а f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Потери также вызывают затухание колебаний: в последовательном RLC амплитуда убывает как e−Rt/(2L).

Резонансная частота

ω₀ = 1/√(LC) = 4,613 × 10⁶ rad/s

Добротность

Q = R/(ω₀L) = 10000/(4,613 × 10⁶·4,7 × 10⁻⁵) = 46,13

Ответ

Q = 46,13

Полоса пропускания равна 1/(2πRC) = 15,92 kHz.

8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: RD = 106,4 kΩ

Добротность и полоса пропускания: в резонансном контуре Q = 2π·(запасённая энергия)/(энергия, теряемая за период). Для последовательного RLC Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); для параллельного RLC Q = R/(ω0L) = R√(C/L). Полоса пропускания между частотами половинной мощности f1 и f2 (где мощность вдвое меньше, а ток или напряжение составляют 1/√2 от пикового) равна BW = f2 − f1 = f0/Q, то есть R/(2πL) для последовательного и 1/(2πRC) для параллельного контура. Резонансная частота — это среднее геометрическое f0 = √(f1f2), а f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Потери также вызывают затухание колебаний: в последовательном RLC амплитуда убывает как e−Rt/(2L).

Динамическое сопротивление

RD = 0,001/(4,7 × 10⁻⁹·2) = 106383 Ω = 106,4 kΩ

Проверка через Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 230,6, Q²·r = 106383 Ω

Ответ

RD = 106,4 kΩ
9.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 25,3 kW

Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Полная мощность

S = √3·VL·IL = √3·415·40 = 28,75 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 28,75·0,88 = 25,3 kW

Ответ

P = 25,3 kW
10.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 399,2 µF

Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсация реактивной мощности: конденсаторы вырабатывают реактивную мощность на месте, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Каждый из трёх конденсаторов даёт QC/3 = V²·ω·C, где V — напряжение на этом конденсаторе: VL в батарее, соединённой треугольником, VL/√3 — в батарее, соединённой звездой.

Реактивная мощность до и после

Активная мощность не меняется, поэтому каждый коэффициент мощности задаёт реактивную мощность: Q = P·tan φ.

Q1 = 80·tan(acos 0,8) = 80·0,75 = 60 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,92) = 80·0,426 = 34,08 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 25,92 kvar

Ёмкость на фазу

В батарее, соединённой звездой, каждый конденсатор включён между линейным проводом и нейтральной точкой.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 8640/(377·239,6²) = 399,2 µF

Ответ

Cph = 399,2 µF
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 15,66 ms

Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.

Постоянная времени и конечный ток

Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.

τ = L/R = 68 mH / 10 Ω = 6,8 ms
i(∞) = Vs/R = 24/10 = 2,4 A

Выразите время

0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −6,8·ln(0,1) = 15,66 ms

Ответ

t = 15,66 ms
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,543 A

Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.

i(0) = 12/(20 + 47) = 0,1791 A
i(∞) = 12/20 = 0,6 A
τ = L/R = 100/20 = 5 ms
i(t) = 0,6 + (0,1791 − 0,6)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(10) = 0,6 + (−0,4209)·e−10/5 = 0,543 A

Ответ

i = 0,543 A
13.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 6,5 Ω

Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.

R1​ = 6 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​2 ΩAabRth​

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.

R1 ∥ R2 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 5 = 6,5 Ω
14.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 36,59 W

Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.

R1​ = 5 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​12 ΩAОБРЫВBabRth​

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.

R1 ∥ R2 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 2 = 5,529 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAIs​4 ABab+−Vth​

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 6,353 + 4·3,529 = 20,47 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 20,47 + 4·2 = 28,47 V
Rth​ = 5,529 Ω+−Vth​28,47 VRL​6 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 28,47/(5,529 + 6) = 2,469 A
PL = IL²·RL = 2,469²·6 = 36,59 W
15.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ∠G(jω) = −96,52 °

Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.

Сложите углы

∠G = atan(3/12) − 90° − atan(3/8) = 14,04° − 90° − 20,56°

Результат

∠G(j3) = −96,52°

Ответ

∠G(jω) = −96,52°
16.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: PM = 73,33 °

Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.

Частота среза усиления

ω⁴ + 64ω² − 400 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·400))/2 = 5,736
ωc = 2,395 rad/s

Запас по фазе

∠L(jωc) = −90° − atan(2,395/8) = −106,7°
PM = 180° + ∠L = 73,33°

Ответ

PM = 73,33°

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