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
ReIm55−5−51010−10−10θz

Запишите z = 12∠160° в алгебраической форме a + jb и укажите действительную часть a.

r = 12θ = 160°
a =
2.Комплексные числаСложная
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Один корень уравнения z³ − 6z² + 28z − 40 = 0 равен z₁ = 2 + j4. Коэффициенты действительны. Найдите действительный корень r.

z₁ = 2 + j4
r =
3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
120 V1000 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 4,7 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 1000 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 4,7 µF
φ = °
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
10 V100 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 22 µF+−VC​

Последовательная цепь RLC подключена к сети 10 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите действующее значение напряжения VC на конденсаторе.

V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 22 µF
VC = V
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 3 kWQ = ?Sφ

Однофазный двигатель потребляет 3 kW при коэффициенте мощности 0,9 (индуктивном) от сети 240 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.

P = 3 kWpf = 0,9V = 240 V
Q = kvar
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 5 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 240 V, 50 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,9. Найдите новый ток линии Inew.

P = 5 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
V47 kΩ10 mH2,2 nF

Параллельный RLC-контур имеет R = 47 kΩ, L = 10 mH и C = 2,2 nF. Найдите его добротность Q.

R = 47 kΩL = 10 mHC = 2,2 nF
Q =
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
f|I|0,7071f0​ = ?2 kHz3 kHzBW

Частоты половинной мощности резонансной кривой равны 2 kHz и 3 kHz. Найдите резонансную частоту как их среднее геометрическое, а затем добротность Q.

f1 = 2 kHzf2 = 3 kHz
Q =
9.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M45 kW, η = 93%cos φ = 0,9

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 45 kW. При этой нагрузке его КПД равен 93%, а коэффициент мощности 0,9 (отстающий). Линейное напряжение сети 415 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 45 kWη = 93%cos φ = 0,9VL = 415 V
IL = A
10.Трёхфазная мощностьСложная
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 50 kW при коэффициенте мощности 0,7 (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. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.

P = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R = 22 ΩL68 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 5 ms, в mJ.

Vs = 10 VR = 22 ΩL = 68 mHt = 5 ms
W = mJ
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 3,3 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 30 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 120 ms.

Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 100 µFvC(0) = 30 Vt = 120 ms
vC = V
13.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAab

Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
14.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAIs​2 ABRL​20 ΩIL​

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

V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩRL = 20 Ω
IL = A
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 220 ΩL = 4,7 mHvout​

Изображённый RL-фильтр верхних частот имеет R = 220 Ω, L = 4,7 mH. На вход подаётся синусоидальный сигнал 1,5 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.

R = 220 ΩL = 4,7 mHf = 1,5 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) = 238/(s(s + 5)(s + 10)). Найдите запас по усилению GM в dB.

L(s) = 238/(s(s + 5)(s + 10))
GM = dB

3Растворы

1.Комплексные числа

Ответ: a = −11,28

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.

Составляющие

a = 12·cos(160°) = −11,28
b = 12·sin(160°) = 4,104

Алгебраическая форма

z = −11,28 + j4,104
a = −11,28

Ответ

a = −11,28
2.Комплексные числа

Ответ: r = 2

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.

Сопряжённая пара

z₂ = 2 − j4
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·2·z + (2² + 4²) = z² − 4z + 20

Выделите квадратный множитель

z³ − 6z² + 28z − 40 = (z² − 4z + 20)(z − 2)

Действительный корень

r = 2

Ответ

r = 2

Проверьте по сумме корней: z₁ + z₂ + r = 4 + 2 = 6 = −(−6).

3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: φ = 86,28 °

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 = 6283·0,25 = 1571 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·4,7·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (1537)²) = 1540 Ω

Угол сдвига фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(1537/100) = 86,28°

Ответ

φ = 86,28°
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: VC = 40,73 V

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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,1 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (−9,511)²) = 17,76 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 10/17,76 = 0,563 A

Напряжение на конденсаторе

VC = I·XC = 0,563·72,34 = 40,73 V

Ответ

VC = 40,73 V
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Q = 1,453 kvar

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.

Угол

φ = arccos(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843

Реактивная мощность

Q = P·tan φ = 3·0,4843 = 1,453 kvar

Ответ

Q = 1,453 kvar
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Inew = 23,15 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 = P·tan φ1 = 5·tan(36,87°) = 3,75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(25,84°) = 2,422 kvar
QC = Q1 − Q2 = 1,328 kvar

Новый ток линии

Inew = P/(V·cos φ2) = 5000/(240·0,9) = 23,15 A

Ответ

Inew = 23,15 A
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: Q = 22,04

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) = 213201 rad/s

Добротность

Q = R/(ω₀L) = 47000/(213201·0,01) = 22,04

Ответ

Q = 22,04

Полоса пропускания равна 1/(2πRC) = 1,539 kHz.

8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: Q = 2,449

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 = √(2000·3000) = 2449 Hz

Полоса пропускания

BW = 3000 − 2000 = 1000 Hz

Добротность

Q = 2449/1000 = 2,449

Ответ

Q = 2,449
9.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 74,8 A

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.

Потребляемая электрическая мощность

Pin = Pout/η = 45/0,93 = 48,39 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 48387/(√3·415·0,9) = 74,8 A

Ответ

IL = 74,8 A
10.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 26,79 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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 26,79 kvar

Ответ

QC = 26,79 kvar
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 4,514 mJ

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 / 22 Ω = 3,091 ms
i(∞) = Vs/R = 10/22 = 0,4545 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,4545·(1 − e−5/3,091) = 0,3644 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·68·0,3644² = 4,514 mJ

Ответ

W = 4,514 mJ
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 22,38 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 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 100 µF = 330 ms
vC(t) = 5 + (30 − 5)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(120) = 5 + (25)·e−120/330 = 22,38 V

Ответ

vC = 22,38 V
13.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 1 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​ = 10 ΩR3​ = 10 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 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 10 = 15 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 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/(10+10) = 15 V
IN​1 ARth​15 Ωab

Эквивалент Нортона

Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.

IN = Vth/Rth = 15/15 = 1 A
14.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,9356 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​ = 30 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​2 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 = 30·2/(30+2) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 15 = 16,88 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAIs​2 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) = 0,75 + 2·1,875 = 4,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,5 + 2·15 = 34,5 V
Rth​ = 16,88 Ω+−Vth​34,5 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) = 34,5/(16,88 + 20) = 0,9356 A
15.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: φ = 78,62 °

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 = 220/0,0047 = 46809 rad/s
fc = 7450 Hz → f/fc = 1500/7450 = 0,2013

Фаза

φ = 90° − atan(0,2013) = 78,62°

Ответ

φ = 78,62°
16.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: GM = 9,97 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/10) = 1 → ω180 = √(5·10) = 7,071 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 100)) = K/(5·10·(5 + 10)) = K/750

Запас по усилению

GM = 20·log₁₀(750/238) = 9,97 dB

Ответ

GM = 9,97 dB

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