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 = −3 − j3. При w = 0,5∠90° нажмите на точку, представляющую z/w.

z = −3 − j3w = 0,5∠90°
  1. 1A (6 − j6)
  2. 2B (−6 + j6)
  3. 3C (−6 − j6)
  4. 4D (−3 + j3)
2.Комплексные числаСложная
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂

Один корень уравнения z³ − 5z² + 16z − 30 = 0 равен z₁ = 1 + j3. Коэффициенты действительны. Найдите действительный корень r.

z₁ = 1 + j3
r =
3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
50 V500 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 47 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 50 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите коэффициент мощности cos φ цепи.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 47 µF
cos φ =
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
50 V500 HzR1​ = 15 ΩR2​ = 80 ΩC = 4,7 µF

Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 50 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR1 = 15 ΩR2 = 80 ΩC = 4,7 µF
|Z| = Ω
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
400 V14 kW, 0,75230 kW, 0,95I = ?

К однофазной сети 400 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 4 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) и нагрузка 30 kW при коэффициенте мощности 0,95 (индуктивном). Найдите общий ток I, потребляемый от сети.

V = 400 VP1 = 4 kW, pf1 = 0,75 отстающийP2 = 30 kW, pf2 = 0,95 отстающий
I = A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
240 V60 Hzнагрузка27 kW, 0,6C220 µFI

Однофазная нагрузка потребляет 27 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 240 V, 60 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 220 µF. Найдите новый коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

P = 27 kWpf1 = 0,6V = 240 Vf = 60 HzC = 220 µF
cos φ =
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 470 µHC = 4,7 nF

В идеальном LC-контуре с L = 470 µH и C = 4,7 nF конденсатор полностью заряжен при t = 0. Через какое время вся энергия окажется в катушке? Дайте t в µs.

L = 470 µHC = 4,7 nF
t = µs
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
C = 100 pFr = 20 ΩL = 10 mH

Параллельный колебательный контур состоит из конденсатора 100 pF и катушки 10 mH с сопротивлением обмотки 20 Ω. При резонансе он ведёт себя как резистор с динамическим сопротивлением RD = L/(C·r). Найдите RD в kΩ.

L = 10 mHC = 100 pFr = 20 Ω
RD = kΩ
9.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M110 kW, η = 92%cos φ = 0,9

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 110 kW. При этой нагрузке его КПД равен 92%, а коэффициент мощности 0,9 (отстающий). Линейное напряжение сети 400 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 110 kWη = 92%cos φ = 0,9VL = 400 V
IL = A
10.Трёхфазная мощностьСложная
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 300 kW при коэффициенте мощности 0,72 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,95 (отстающий). Активная мощность не меняется. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.

P = 300 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 50 ΩL47 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 80% конечного значения? Найдите t.

Vs = 9 VR = 50 ΩL = 47 mH
t = ms
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​6 VR1​ = 20 ΩR2​ = 15 Ωразмыкается при t = 0L100 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 0,261 A? Найдите t.

Vs = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩL = 100 mH
t = ms
13.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
14.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAIs​1,5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​C = 10 nFR = 47 kΩvout​

Изображённый RC-фильтр верхних частот имеет R = 47 kΩ, C = 10 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 680 Hz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.

R = 47 kΩC = 10 nFf = 680 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) = K/(s(s + 4)(s + 10)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 12 dB.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))GM = 12 dB
K =

3Растворы

1.Комплексные числа

Ответ: B (−6 + j6)

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 + j6 → B

Ответ

B (−6 + j6)
2.Комплексные числа

Ответ: r = 3

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 = 1 − j3
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·1·z + (1² + 3²) = z² − 2z + 10

Выделите квадратный множитель

z³ − 5z² + 16z − 30 = (z² − 2z + 10)(z − 3)

Действительный корень

r = 3

Ответ

r = 3

Проверьте по сумме корней: z₁ + z₂ + r = 2 + 3 = 5 = −(−5).

3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: cos φ = 0,3156

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

XL = 157,1 Ω, XC = 6,773 Ω

Полное сопротивление

|Z| = √(50² + (150,3)²) = 158,4 Ω

Коэффициент мощности

cos φ = R/|Z| = 50/158,4 = 0,3156
Цепь индуктивная, поэтому коэффициент мощности отстающий.

Ответ

cos φ = 0,3156
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: |Z| = 62,44 Ω

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 = 33,4 − j39,45 Ω

Полное сопротивление цепи

Z = 15 + 33,4 − j39,45 = 48,4 − j39,45 Ω
|Z| = √(48,4² + 39,45²) = 62,44 Ω

Ответ

|Z| = 62,44 Ω
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 91,35 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 = 4·tan(arccos 0,75) = 3,528 kvar
Q2 = 30·tan(arccos 0,95) = 9,861 kvar

Суммы

P = 4 + 30 = 34 kW
Q = 3,528 + 9,861 = 13,39 kvar
S = √(34² + 13,39²) = 36,54 kVA

Общий ток

I = S/V = 36541/400 = 91,35 A

Ответ

I = 91,35 A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,6541

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 = 27·tan(arccos 0,6) = 36 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·220·10⁻⁶ = 4777 var = 4,777 kvar
Q2 = 36 − 4,777 = 31,22 kvar

Новая полная мощность

S2 = √(27² + 31,22²) = 41,28 kVA

Новый коэффициент мощности

cos φ = P/S2 = 27/41,28 = 0,6541

Ответ

cos φ = 0,6541
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: t = 2,335 µs

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.

Период

T = 2π√(0,00047·4,7 × 10⁻⁹) = 9,339 µs

Четверть периода

t = T/4 = 2,335 µs

Ответ

t = 2,335 µs
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: RD = 5000 kΩ

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).

Динамическое сопротивление

RD = 0,01/(1 × 10⁻¹⁰·20) = 5 × 10⁶ Ω = 5000 kΩ

Проверка через Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 500, Q²·r = 5 × 10⁶ Ω

Ответ

RD = 5000 kΩ
9.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 191,8 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 = 110/0,92 = 119,6 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 119565/(√3·400·0,9) = 191,8 A

Ответ

IL = 191,8 A
10.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 190,6 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 = 300·tan(acos 0,72) = 300·0,9639 = 289,2 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,95) = 300·0,3287 = 98,61 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 190,6 kvar

Ответ

QC = 190,6 kvar
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 1,513 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.

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 = 47 mH / 50 Ω = 0,94 ms
i(∞) = Vs/R = 9/50 = 0,18 A

Выразите время

0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −0,94·ln(0,2) = 1,513 ms

Ответ

t = 1,513 ms
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 1,033 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

До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.

i(0) = 6/20 = 0,3 A
i(∞) = 6/(20 + 15) = 0,1714 A
τ = L/R = 100/35 = 2,857 ms
i(t) = 0,1714 + (0,3 − 0,1714)·e−t/τ

Выразите время

e−t/τ = (0,261 − 0,1714)/(0,3 − 0,1714) = 0,6967
t = 2,857·ln(1,435) = 1,033 ms

Ответ

t = 1,033 ms
13.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 1,714 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​ = 6 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​2 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 2 = 3,5 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​2 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) = 24·2/(6+2) = 6 V
IN​1,714 ARth​3,5 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 = 6/3,5 = 1,714 A
14.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 45,5 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​ = 8 ΩR3​ = 25 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 25 = 27,67 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAIs​1,5 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) = 4 + 1,5·2,667 = 8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8 + 1,5·25 = 45,5 V
15.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |H| = −0,9621 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 = 1/(RC) = 1/(47000·1 × 10⁻⁸) = 2128 rad/s
fc = 338,6 Hz → f/fc = 680/338,6 = 2,008

Коэффициент усиления

|H| = 2,008/√(1 + 2,008²) = 0,8951
20·log₁₀(0,8951) = −0,9621 dB

Ответ

|H| = −0,9621 dB
16.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: K = 140,7

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/4)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(4·10) = 6,325 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 100)) = K/(4·10·(4 + 10)) = K/560

Требуемое усиление

560/K = 1012/20 = 3,981
K = 560/3,981 = 140,7

Ответ

K = 140,7

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