3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 100 V (действующее значение), 50 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 10 µF
I = A
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательный RLC-контур имеет R = 50 Ω, L = 200 mH и C = 0,22 µF. Найдите его полосу пропускания B (ширину полосы между частотами половинной мощности) в Hz.
R = 50 ΩL = 200 mHC = 0,22 µF
B = Hz
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Нагрузка с полным сопротивлением Z = 3 + j4 Ω подключена к однофазной сети 240 V (действующее значение). Найдите полную мощность S.
V = 240 VZ = 3 + j4 Ω
S = VA
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Источник 10 V (действующее значение), 60 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 5 + j5 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Найдите наибольшую активную мощность Pmax, которую можно передать нагрузке.
Vs = 10 V (rms)f = 60 HzZs = 5 + j5 Ω
Pmax = W
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
Последовательный RLC-контур имеет R = 1 Ω, L = 10 µH и C = 47 nF. Найдите его полосу пропускания BW в kHz.
R = 1 ΩL = 10 µHC = 47 nF
BW = kHz
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
Заряженный конденсатор 22 nF разряжается через катушку 100 mH с полным последовательным сопротивлением 20 Ω, поэтому колебания медленно затухают. Амплитуда убывает как e−Rt/(2L). Сколько периодов колебаний n пройдёт, прежде чем амплитуда уменьшится вдвое? (Потери малы, поэтому частота равна f₀.)
L = 100 mHC = 22 nFR = 20 Ω
n =
9.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 60 A от сети с линейным напряжением 400 V. Коэффициент мощности 0,92 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 400 VIL = 60 Acos φ = 0,92
P = kW
10.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 300 kW при коэффициенте мощности 0,7 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 300 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 1 ms.
Vs = 12 VR = 47 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 5 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 4 V, ровно через 25 ms после старта. При C = 2,2 µF найдите необходимое сопротивление R.
Vs = 5 VVth = 4 VT = 25 msC = 2,2 µF
R = kΩ
13.Тевенин и НортонСредняя
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
14.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 30 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 47 kΩ, C = 100 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 6,8 Hz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.
R = 47 kΩC = 100 nFf = 6,8 Hz
φ = °
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 336/(s(s + 6)(s + 8)). Найдите запас по усилению GM в dB.
L(s) = 336/(s(s + 6)(s + 8))
GM = dB
3Растворы
1.Комплексные числа
Ответ: D (4 + j8)
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.
Действие w
|z·w| = 2·|z|, arg(z·w) = arg z + 180°
Точка
z·w = 4 + j8 → D
Ответ
D (4 + j8)
2.Комплексные числа
Ответ: r = −4
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.
Проверьте по сумме корней: z₁ + z₂ + r = −8 + (−4) = −12 = −(12).
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: I = 0,4163 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,25 = 78,54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·10·10⁻⁶) = 318,3 Ω
Полное сопротивление
При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).
Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.
I = V/|Z| = 100/240,2 = 0,4163 A
Ответ
I = 0,4163 A
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: B = 39,79 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|.
Резонансная частота
f0 = 1/(2π·√(0,2·0,22·10⁻⁶)) = 758,7 Hz
Добротность
Добротность сравнивает реактивное сопротивление при резонансе с активным: Q = ω₀L/R.
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: S = 11520 VA
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.
Ток
|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 240/5 = 48 A
Полная мощность
S = V·I = 240·48 = 11520 VA
Ответ
S = 11520 VA
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Pmax = 5 W
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.
Сопряжённое согласование
Реактивное сопротивление нагрузки компенсирует реактивное сопротивление источника, а активное сопротивление нагрузки равно активному сопротивлению источника.
ZL = Zs* = 5 − j5 Ω
Наибольшая мощность
I = Vs/(2Rs) = 10/10 = 1 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 10²/(4·5) = 5 W
Ответ
Pmax = 5 W
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: BW = 15,92 kHz
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).
Полоса пропускания в rad/s
R/L = 1/1 × 10⁻⁵ = 100000 rad/s
Полоса пропускания в Hz
BW = 100000/(2π) = 15915 Hz = 15,92 kHz
Ответ
BW = 15,92 kHz
При f₀ = 232,2 kHz получаем Q = 14,59.
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: n = 23,52
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).
Время уменьшения амплитуды вдвое
t = 2·0,1·ln 2/20 = 0,006931 s
Число периодов
n = t·f0 = 0,006931·3393 = 23,52
Ответ
n = 23,52
Короткий путь: n = Q·ln 2/π при Q = 106,6.
9.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 38,24 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 = √3·400·60 = 41,57 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 41,57·0,92 = 38,24 kW
Ответ
P = 38,24 kW
10.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 820,9 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 = 300·tan(acos 0,7) = 300·1,02 = 306,1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,92) = 300·0,426 = 127,8 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 178,3 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.
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 = 10 mH / 47 Ω = 0,2128 ms
i(∞) = Vs/R = 12/47 = 0,2553 A
Напряжение на катушке
В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 12·e−1/0,2128 = 0,1091 V
Ответ
vL = 0,1091 V
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: R = 7,061 kΩ
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.
Требуемая постоянная времени
4 = 5·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(5/(5 − 4))
τ = 25/1,609 = 15,53 ms
Сопротивление
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
R = τ/C = 15,53/2,2 = 7,061 kΩ
Ответ
R = 7,061 kΩ
13.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 17 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.
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 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 12 = 17 Ω
14.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = −0,1152 A
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.
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 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 10 = 11,82 Ω
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) = 1,091 + (−0,5)·1,818 = 0,1818 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 0,1818 + (−0,5)·10 = −4,818 V
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) = −4,818/(11,82 + 30) = −0,1152 A
15.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: φ = −11,35 °
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
ωc = 1/(RC) = 1/(47000·1 × 10⁻⁷) = 212,8 rad/s
fc = 33,86 Hz → f/fc = 6,8/33,86 = 0,2008
Фаза
φ = − atan(0,2008) = −11,35°
Ответ
φ = −11,35°
16.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: GM = 6,021 dB
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.