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
ReIm11−1−122−2−233−3−344−4−455−5−566−6−677−7−788−8−8zABCD

На диаграмме показано z = −1 − j3. При w = 0,5∠−90° нажмите на точку, представляющую z/w.

z = −1 − j3w = 0,5∠−90°
  1. 1A (−2 − j6)
  2. 2B (3 − j)
  3. 3C (−6 + j2)
  4. 4D (6 − j2)
2.Комплексные числаСложная
ReIm22−2−244−4−4ABCD

Ровно одна из точек A–D является корнем уравнения z⁶ = 64∠−90°. Нажмите на неё.

w = 64∠−90°n = 6
  1. 1A (2∠−90°)
  2. 2B (3,6∠−15°)
  3. 3C (2∠−15°)
  4. 4D (2∠15°)
3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Vf0​ = 5000 HzRL = ?C = 22 µF

Последовательный RLC-контур с C = 22 µF должен резонировать на частоте 5000 Hz. Найдите необходимую индуктивность L.

f0 = 5000 HzC = 22 µF
L = mH
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
24 V500 HzR1​ = 30 ΩR2​ = 30 ΩC = 4,7 µFI

Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 24 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR1 = 30 ΩR2 = 30 ΩC = 4,7 µF
I = A
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
120 VZ9 + j12 ΩI

Нагрузка с полным сопротивлением Z = 9 + j12 Ω подключена к однофазной сети 120 V (действующее значение). Найдите полную мощность S.

V = 120 VZ = 9 + j12 Ω
S = VA
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
240 V60 Hzнагрузка14 kW, 0,8C330 µFI = ?

Однофазная нагрузка потребляет 14 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 240 V, 60 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 330 µF. Найдите новый ток линии I.

P = 14 kWpf1 = 0,8V = 240 Vf = 60 HzC = 330 µF
I = A
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
f|I|0,7071500 kHzf1​ = ?f2​BW

Последовательный RLC-контур резонирует на частоте 500 kHz при Q = 2,5. Найдите нижнюю частоту половинной мощности f1 точно, в kHz.

f0 = 500 kHzQ = 2,5
f1 = kHz
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
V20 ΩLC = ?

Спроектируйте последовательный RLC-фильтр с полным сопротивлением 20 Ω, резонансной частотой 10 kHz и полосой пропускания 400 Hz. Найдите ёмкость C в nF.

R = 20 Ωf0 = 10 kHzBW = 400 Hz
C = nF
9.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 400 VIL​ = 12 Acos φ = 0,8отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 12 A от сети с линейным напряжением 400 V. Коэффициент мощности 0,8 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 400 VIL = 12 Acos φ = 0,8
P = kW
10.Трёхфазная мощностьСложная
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 200 kW при коэффициенте мощности 0,7 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.

P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 4,7 kΩC22 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 = 5 ms.

Vs = 20 VR1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩC = 22 µFt = 5 ms
vC = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vразмыкается при t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 3,3 kΩC100 µF+−vC​

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 400 ms.

Vs = 9 VR1 = 4,7 kΩR2 = 3,3 kΩC = 100 µFt = 400 ms
vC = V
13.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
14.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAIs​2,5 ABRL​4 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 4 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 30 VIs = 2,5 AR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩRL = 4 Ω
PL = W
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 4,7 kΩC = 10 nFvout​

Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 4,7 kΩ, C = 10 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 1,7 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.

R = 4,7 kΩC = 10 nFf = 1,7 kHz
φ = °
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 190/(s(s + 5)). Найдите частоту среза усиления ωc, где |L(jω)| = 1.

L(s) = 190/(s(s + 5))
ωc = rad/s

3Растворы

1.Комплексные числа

Ответ: D (6 − j2)

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| = |z|/0,5, arg(z/w) = arg z − (−90)°

Точка

z/w = 6 − j2 → D

Ответ

D (6 − j2)
2.Комплексные числа

Ответ: C (2∠−15°)

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°, 45°, 105°, 165°, −135°, −75°

Точка

C = 2∠−15°

Ответ

C (2∠−15°)
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: L = 0,04606 mH

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·5000 = 31416 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(31416²·22·10⁻⁶) = 0,04606 mH

Ответ

L = 0,04606 mH
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,4271 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|.

Реактивное сопротивление

XC = 1/(2π·500·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Параллельное соединение

Умножьте числитель и знаменатель на комплексно сопряжённое число, чтобы разделить Zp на действительную и мнимую части.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 25,08 − j11,11 Ω

Полное сопротивление цепи

Z = 30 + 25,08 − j11,11 = 55,08 − j11,11 Ω
|Z| = √(55,08² + 11,11²) = 56,19 Ω

Ток

I = V/|Z| = 24/56,19 = 0,4271 A

Ответ

I = 0,4271 A
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: S = 960 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| = √(9² + 12²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 120/15 = 8 A

Полная мощность

S = V·I = 120·8 = 960 VA

Ответ

S = 960 VA
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 59,96 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 до и после

Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.

Q1 = 14·tan(arccos 0,8) = 10,5 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·330·10⁻⁶ = 7166 var = 7,166 kvar
Q2 = 10,5 − 7,166 = 3,334 kvar

Новая полная мощность

S2 = √(14² + 3,334²) = 14,39 kVA

Новый ток линии

I = S2/V = 14392/240 = 59,96 A

Ответ

I = 59,96 A
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: f1 = 409,9 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).

Член с квадратным корнем

√(1 + 1/(4·2,5²)) = 1,02

Нижняя частота половинной мощности

f1 = 500000·(1,02 − 0,2) = 409902 Hz = 409,9 kHz

Ответ

f1 = 409,9 kHz

Верхняя равна f₂ = 609,9 kHz; проверка: f₂ − f₁ = 200 kHz = f₀/Q.

8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: C = 31,83 nF

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).

Индуктивность по полосе пропускания

L = R/(2π·BW) = 20/(2π·400) = 0,007958 H

Ёмкость по резонансной частоте

C = 1/((2π·10000)²·0,007958) = 3,183 × 10⁻⁸ F = 31,83 nF

Ответ

C = 31,83 nF

Q = f₀/BW = 25.

9.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 6,651 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 = √3·400·12 = 8,314 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 8,314·0,8 = 6,651 kW

Ответ

P = 6,651 kW
10.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 118,8 kvar

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 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 118,8 kvar

Ответ

QC = 118,8 kvar
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 3,973 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 = 1·4,7/(1 + 4,7) = 0,8246 kΩ
vC(∞) = 20·4,7/(1 + 4,7) = 16,49 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 0,8246·22 = 18,14 ms

Кривая заряда

vC(t) = 16,49·(1 − e−5/18,14) = 3,973 V

Ответ

vC = 3,973 V
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 1,105 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.

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) = 9·3,3/(4,7 + 3,3) = 3,712 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 3,3·100 = 330 ms

Разряд

vC(t) = 3,712·e−400/330 = 1,105 V

Ответ

vC = 1,105 V
13.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 4 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​ = 20 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​4 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 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 15 = 18,33 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​4 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) = 24·4/(20+4) = 4 V
14.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 0,07716 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​ = 3 ΩR3​ = 8 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 8 = 10,4 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAIs​2,5 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) = 24 + (−2,5)·2,4 = 18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18 + (−2,5)·8 = −2 V
Rth​ = 10,4 Ω−+Vth​2 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) = −2/(10,4 + 4) = −0,1389 A
PL = IL²·RL = −0,1389²·4 = 0,07716 W
15.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: φ = −26,66 °

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/(4700·1 × 10⁻⁸) = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 1700/3386 = 0,502

Фаза

φ = − atan(0,502) = −26,66°

Ответ

φ = −26,66°
16.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ωc = 13,34 rad/s

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 + 25ω² − 36100 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·36100))/2 = 177,9
ωc = 13,34 rad/s

Ответ

ωc = 13,34 rad/s

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