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
ReIm22−2−244−4−466−6−6θz

У числа z = 6·ej1,2 угол задан в радианах. Найдите его мнимую часть b.

r = 6θ = 1,2 rad
b =
2.Комплексные числаСложная
ReIm22−2−244−4−4ABCD

Ровно одна из точек A–D является корнем уравнения z⁴ = 16∠60°. Нажмите на неё.

w = 16∠60°n = 4
  1. 1A (2∠60°)
  2. 2B (2∠105°)
  3. 3C (3,6∠105°)
  4. 4D (2∠−105°)
3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Vf0​ = 100 HzRL = 100 mHC = ?

Последовательный RLC-контур с L = 100 mH должен резонировать на частоте 100 Hz. Найдите необходимую ёмкость C.

f0 = 100 HzL = 100 mH
C = µF
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
VfR = 2 ΩL = 5 mHC = 10 µF

Последовательный RLC-контур имеет R = 2 Ω, L = 5 mH и C = 10 µF. Найдите его добротность Q при резонансе.

R = 2 ΩL = 5 mHC = 10 µF
Q =
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
240 V117 kW, 0,7220 kW, 1I = ?

К однофазной сети 240 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 17 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) и нагреватель мощностью 20 kW (коэффициент мощности 1). Найдите общий ток I, потребляемый от сети.

V = 240 VP1 = 17 kW, pf1 = 0,7 отстающийP2 = 20 kW, pf2 = 1
I = A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P1​ = 62 kWQ1​S1​φ

Однофазный трансформатор 150 kVA питает нагрузку 62 kW при коэффициенте мощности 0,65 (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 = 62 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
C = 22 nF+−4,5 VL = 100 µHiL​

Конденсатор 22 nF, заряженный до 6 V, колеблется с идеальной катушкой 100 µH. Найдите энергию WL, запасённую в катушке в момент, когда напряжение на конденсаторе равно 4,5 V, в nJ.

C = 22 nFV0 = 6 VvC = 4,5 V
WL = nJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
f|I|0,7071f0​ = ?900 kHz2,25 MHzBW

Частоты половинной мощности резонансной кривой равны 900 kHz и 2,25 MHz. Найдите резонансную частоту как их среднее геометрическое, а затем добротность Q.

f1 = 900 kHzf2 = 2,25 MHz
Q =
9.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 415 VIL​ = 30 Acos φ = 0,75отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 30 A от сети с линейным напряжением 415 V. Коэффициент мощности 0,75 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 415 VIL = 30 Acos φ = 0,75
P = kW
10.Трёхфазная мощностьСложная
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 60 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,9 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 60 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 3,3 kΩC100 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 100 ms.

Vs = 24 VR1 = 4,7 kΩR2 = 3,3 kΩC = 100 µFt = 100 ms
vC = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vразмыкается при t = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 2,2 kΩi2​C22 µF+−vC​

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток i2 через R2 при t = 25 ms.

Vs = 10 VR1 = 1 kΩR2 = 2,2 kΩC = 22 µFt = 25 ms
i2 = mA
13.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
14.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAIs​0,5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 5 VIs = 0,5 AR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 100 ΩL = 47 mHvout​

Изображённый RL-фильтр верхних частот имеет R = 100 Ω, L = 47 mH. На вход подаётся синусоидальный сигнал 85 Hz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.

R = 100 ΩL = 47 mHf = 85 Hz
|H| = dB
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 266/(s(s + 5)(s + 7)). Найдите запас по усилению GM в dB.

L(s) = 266/(s(s + 5)(s + 7))
GM = dB

3Растворы

1.Комплексные числа

Ответ: b = 5,592

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.

Формула Эйлера

z = 6·(cos 1,2 + j sin 1,2)

Компоненты (радианы)

a = 6·cos 1,2 = 2,174
b = 6·sin 1,2 = 5,592
b = 5,592

Ответ

b = 5,592
2.Комплексные числа

Ответ: B (2∠105°)

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 и аргументы корней

|z| = 2
θ = 15°, 105°, −165°, −75°

Точка

B = 2∠105°

Ответ

B (2∠105°)
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: C = 25,33 µF

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|.

Условие резонанса

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

ω₀ = 2π·100 = 628,3 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(628,3²·0,1) = 25,33 µF

Ответ

C = 25,33 µF
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: Q = 11,18

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·√(0,005·10·10⁻⁶)) = 711,8 Hz

Добротность

Добротность сравнивает реактивное сопротивление при резонансе с активным: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/2)·√(0,005/(10·10⁻⁶)) = 11,18

Ответ

Q = 11,18
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 170,3 A

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 = 17·tan(arccos 0,7) = 17,34 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Суммы

P = 17 + 20 = 37 kW
Q = 17,34 + 0 = 17,34 kvar
S = √(37² + 17,34²) = 40,86 kVA

Общий ток

I = S/V = 40863/240 = 170,3 A

Ответ

I = 170,3 A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: ΔP = 69,32 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 = 62·tan(arccos 0,65) = 72,49 kvar

Наибольшая суммарная активная мощность

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 72,49²) = 131,3 kW

Дополнительная активная мощность

ΔP = 131,3 − 62 = 69,32 kW

Ответ

ΔP = 69,32 kW
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: WL = 173,3 nJ

LC-резонанс: заряженный конденсатор, подключённый к катушке индуктивности, создаёт ток, который заряжает его в обратную сторону: энергия переходит между электрическим полем C (½Cv²) и магнитным полем L (½Li²) на собственной частоте f0 = 1/(2π√(LC)). Без сопротивления полная энергия ½CV0² остаётся постоянной, поэтому пиковый ток равен Imax = V0√(C/L). Один период равен T = 1/f0; энергия переходит из C в L за его четверть.

Полная энергия

½·2,2 × 10⁻⁸·6² = 3,96 × 10⁻⁷ J

Энергия, оставшаяся в конденсаторе

½·2,2 × 10⁻⁸·4,5² = 2,228 × 10⁻⁷ J

Энергия в катушке

WL = 1,733 × 10⁻⁷ J = 173,3 nJ

Ответ

WL = 173,3 nJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: Q = 1,054

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

f0 = √(900000·2,25 × 10⁶) = 1,423 × 10⁶ Hz

Полоса пропускания

BW = 2,25 × 10⁶ − 900000 = 1,35 × 10⁶ Hz

Добротность

Q = 1,423 × 10⁶/1,35 × 10⁶ = 1,054

Ответ

Q = 1,054
9.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 16,17 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 = √3·415·30 = 21,56 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 21,56·0,75 = 16,17 kW

Ответ

P = 16,17 kW
10.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 88,81 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 = 60·tan(acos 0,8) = 60·0,75 = 45 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,9) = 60·0,4843 = 29,06 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 15,94 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 5314/(377·398,4²) = 88,81 µF

Ответ

Cph = 88,81 µF
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 3,989 V

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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.

Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·3,3/(4,7 + 3,3) = 1,939 kΩ
vC(∞) = 24·3,3/(4,7 + 3,3) = 9,9 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 1,939·100 = 193,9 ms

Кривая заряда

vC(t) = 9,9·(1 − e−100/193,9) = 3,989 V

Ответ

vC = 3,989 V
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i2 = 1,864 mA

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 напряжение конденсатора

В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.

vC(0) = 10·2,2/(1 + 2,2) = 6,875 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 2,2·22 = 48,4 ms

Разряд

vC(t) = 6,875·e−25/48,4 = 4,102 V
i2 = vC/R2 = 4,102/2,2 = 1,864 mA

Ответ

i2 = 1,864 mA
13.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 27,5 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​ = 20 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​12 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 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 20 = 27,5 Ω
14.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 8,857 V

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​ = 30 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​5 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 = 30·5/(30+5) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 12 = 16,29 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAIs​0,5 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) = 0,7143 + 0,5·4,286 = 2,857 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2,857 + 0,5·12 = 8,857 V
15.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |H| = −12,27 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.

Частота среза

ωc = R/L = 100/0,047 = 2128 rad/s
fc = 338,6 Hz → f/fc = 85/338,6 = 0,251

Коэффициент усиления

|H| = 0,251/√(1 + 0,251²) = 0,2435
20·log₁₀(0,2435) = −12,27 dB

Ответ

|H| = −12,27 dB
16.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: GM = 3,967 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.

Частота перехода фазы

(ω/5)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(5·7) = 5,916 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 49)) = K/(5·7·(5 + 7)) = K/420

Запас по усилению

GM = 20·log₁₀(420/266) = 3,967 dB

Ответ

GM = 3,967 dB

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