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
ReIm22−2−244−4−4θz

Запишите z = −3 + j5 в показательной форме r·ejθ. Укажите θ в радианах, между −π и π.

z = −3 + j5
θ = rad
2.Комплексные числаСложная
ReIm11−1−122−2−2θz

Используйте формулу Муавра, чтобы найти мнимую часть z⁷ для z = √3 + j.

z = √3 + jn = 7
Im(z⁷) =
3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Vf0​ = 100 HzRL = 2 mHC = ?

Последовательный RLC-контур с L = 2 mH должен резонировать на частоте 100 Hz. Найдите необходимую ёмкость C.

f0 = 100 HzL = 2 mH
C = µF
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
230 V1000 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 100 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 230 V (действующее значение), 1000 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 230 V (rms)f = 1000 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 100 µF
I = A
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
230 V123 kW, 0,7212 kW, 0,85I

К однофазной сети 230 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 23 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) и нагрузка 12 kW при коэффициенте мощности 0,85 (индуктивном). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

V = 230 VP1 = 23 kW, pf1 = 0,7 отстающийP2 = 12 kW, pf2 = 0,85 отстающий
cos φ =
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
100 V60 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j6 ΩZL​ = ?

Источник 100 V (действующее значение), 60 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 50 + j6 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Нагрузка для максимальной мощности составлена из резистора, соединённого последовательно с конденсатором. Найдите ёмкость C.

Vs = 100 V (rms)f = 60 HzZs = 50 + j6 Ω
C = µF
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
C = 220 nF+−3 VL = 4,7 mHiL​

Конденсатор 220 nF, заряженный до 15 V, колеблется с идеальной катушкой 4,7 mH. Найдите энергию WL, запасённую в катушке в момент, когда напряжение на конденсаторе равно 3 V, в µJ.

C = 220 nFV0 = 15 VvC = 3 V
WL = µJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
V22 Ω2,2 mH22 nF20 mA

Последовательный RLC-контур (R = 22 Ω, L = 2,2 mH, C = 22 nF) питается на резонансе при амплитуде тока 20 mA. Найдите энергию Ecycle, рассеиваемую в R за один период, в nJ.

R = 22 ΩL = 2,2 mHC = 22 nFIm = 20 mA
Ecycle = nJ
9.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 400 VIL​ = 10 Acos φ = 0,7отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 10 A от сети с линейным напряжением 400 V. Коэффициент мощности 0,7 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 400 VIL = 10 Acos φ = 0,7
P = kW
10.Трёхфазная мощностьСложная
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 250 kW при коэффициенте мощности 0,75 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,95 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 250 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 10 Ωt = 0L68 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 2,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение vR на R при t = 15 ms.

i(0) = 2,5 AR = 10 ΩL = 68 mHt = 15 ms
vR = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 2,2 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 2 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 4,1 V? Найдите t.

Vs = 5 VR = 2,2 kΩC = 220 µFvC(0) = 2 V
t = ms
13.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩARL​20 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 20 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩRL = 20 Ω
IL = A
14.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAIs​3 ABRL​4 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 4 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩRL = 4 Ω
IL = A
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​C = 10 nFR = 3,3 kΩvout​

Изображённый RC-фильтр верхних частот имеет R = 3,3 kΩ, C = 10 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 19 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.

R = 3,3 kΩC = 10 nFf = 19 kHz
φ = °
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) = K/(s(s + 2)(s + 6)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 12 dB.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 6))GM = 12 dB
K =

3Растворы

1.Комплексные числа

Ответ: θ = 2,111 rad

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

r = √(9 + 25) = 5,831

Аргумент в радианах

θ = 121° = 121·π/180 = 2,111 rad

Показательная форма

z = 5,831·ej2,111

Ответ

θ = 2,111 rad
2.Комплексные числа

Ответ: Im(z⁷) = −64

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.

Полярная форма

z = √3 + j = 2∠30°

Муавр

z⁷ = (2)⁷∠210° = 128∠−150°

Алгебраическая форма

z⁷ = 128·(cos −150° + j sin −150°) = −110,9 − j64
Im(z⁷) = −64

Ответ

Im(z⁷) = −64
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: C = 1267 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/(628,3²·0,002) = 1267 µF

Ответ

C = 1267 µF
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,7129 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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,05 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·100·10⁻⁶) = 1,592 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (312,6)²) = 322,6 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 230/322,6 = 0,7129 A

Ответ

I = 0,7129 A
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,7496

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 = 23·tan(arccos 0,7) = 23,46 kvar
Q2 = 12·tan(arccos 0,85) = 7,437 kvar

Суммы

P = 23 + 12 = 35 kW
Q = 23,46 + 7,437 = 30,9 kvar
S = √(35² + 30,9²) = 46,69 kVA

Общий коэффициент мощности

cos φ = P/S = 35/46,69 = 0,7496 отстающий

Ответ

cos φ = 0,7496
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: C = 442,1 µF

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* = 50 − j6 Ω

Ёмкость

XC = 6 Ω → C = 1/(2π·60·6) = 442,1 µF

Ответ

C = 442,1 µF
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: WL = 23,76 µJ

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 × 10⁻⁷·15² = 2,475 × 10⁻⁵ J

Энергия, оставшаяся в конденсаторе

½·2,2 × 10⁻⁷·3² = 9,9 × 10⁻⁷ J

Энергия в катушке

WL = 2,376 × 10⁻⁵ J = 23,76 µJ

Ответ

WL = 23,76 µJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: Ecycle = 192,3 nJ

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).

Запасённая энергия

W = ½·0,0022·0,02² = 4,4 × 10⁻⁷ J

Добротность

Q = (1/22)·√(0,0022/2,2 × 10⁻⁸) = 14,37

Энергия, теряемая за период

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·4,4 × 10⁻⁷/14,37 = 1,923 × 10⁻⁷ J = 192,3 nJ
проверка: ½·0,02²·22/22877 = 1,923 × 10⁻⁷ J

Ответ

Ecycle = 192,3 nJ
9.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 4,85 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 = √3·400·10 = 6,928 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 6,928·0,7 = 4,85 kW

Ответ

P = 4,85 kW
10.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 1911 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 = 250·tan(acos 0,75) = 250·0,8819 = 220,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 138,3 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 46103/(314,2·277,1²) = 1911 µF

Ответ

Cph = 1911 µF
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vR = 2,754 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.

Постоянная времени

τ = L/R = 68 mH / 10 Ω = 6,8 ms

Убывание тока

i(t) = 2,5·e−15/6,8 = 0,2754 A
vR = R·i = 10·0,2754 = 2,754 V

Ответ

vR = 2,754 V
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 582,7 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.

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.

vC(0) = 2 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 220 µF = 484 ms
vC(t) = 5 + (2 − 5)·e−t/τ

Выразите время

4,1 = 5 + (−3)·e−t/τ → e−t/τ = (4,1 − 5)/(2 − 5) = 0,3
t = τ·ln((2 − 5)/(4,1 − 5)) = 484·ln(3,333) = 582,7 ms

Ответ

t = 582,7 ms
13.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,566 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.

R1​ = 5 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​10 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 12 = 15,33 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAab+−Vth​

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·10/(5+10) = 20 V
Rth​ = 15,33 Ω+−Vth​20 VRL​20 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) = 20/(15,33 + 20) = 0,566 A
14.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = −1,12 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.

R1​ = 5 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​4 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 = 5·4/(5+4) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 3 = 5,222 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAIs​3 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) = 5,333 + (−3)·2,222 = −1,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −1,333 + (−3)·3 = −10,33 V
Rth​ = 5,222 Ω−+Vth​10,33 VRL​4 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) = −10,33/(5,222 + 4) = −1,12 A
15.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: φ = 14,24 °

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/(3300·1 × 10⁻⁸) = 30303 rad/s
fc = 4823 Hz → f/fc = 19000/4823 = 3,94

Фаза

φ = 90° − atan(3,94) = 14,24°

Ответ

φ = 14,24°
16.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: K = 24,11

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/2)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(2·6) = 3,464 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 36)) = K/(2·6·(2 + 6)) = K/96

Требуемое усиление

96/K = 1012/20 = 3,981
K = 96/3,981 = 24,11

Ответ

K = 24,11

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