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
ReIm55−5−51010−10−101515−15−15z₁z₂w

Даны z₁ = 4∠−35° и z₂ = 4∠−140°. Найдите мнимую часть w = z₁·z₂.

z₁ = 4∠−35°z₂ = 4∠−140°
Im(w) =
2.Комплексные числаСложная
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Уравнение z² + 8z + 18,25 = 0 имеет два комплексных корня. Найдите их модуль |z|.

p = 8q = 18,25
|z| =
3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
120 V100 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 47 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 47 µF
φ = °
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
VfR = 15 ΩL = 20 mHC = 0,01 µF

Последовательный RLC-контур имеет R = 15 Ω, L = 20 mH и C = 0,01 µF. Найдите его добротность Q при резонансе.

R = 15 ΩL = 20 mHC = 0,01 µF
Q =
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
400 V126 kW, 0,6527 kW, 0,85I

К однофазной сети 400 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 26 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) и нагрузка 7 kW при коэффициенте мощности 0,85 (ёмкостном). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

V = 400 VP1 = 26 kW, pf1 = 0,65 отстающийP2 = 7 kW, pf2 = 0,85 опережающий
cos φ =
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 50 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 230 V, 50 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,92. Найдите необходимую ёмкость C.

P = 50 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92V = 230 Vf = 50 Hz
C = µF
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
f|I|0,70715 kHzf1​ = ?f2​BW

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

f0 = 5 kHzQ = 2,5
f1 = kHz
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
V2 Ω2,2 mH22 nF10 mA

Последовательный RLC-контур (R = 2 Ω, L = 2,2 mH, C = 22 nF) питается на резонансе при амплитуде тока 10 mA. Найдите энергию Ecycle, рассеиваемую в R за один период, в nJ.

R = 2 ΩL = 2,2 mHC = 22 nFIm = 10 mA
Ecycle = nJ
9.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 480 VNZ = 6 + j8 Ωна фазу

Симметричная нагрузка, соединённая звездой, с полным сопротивлением 6 + j8 Ω на фазу подключена к симметричной трёхфазной сети с линейным напряжением 480 V. Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 480 VZ = 6 + j8 Ω на фазу
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 415 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 250 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​6 Vt = 0R = 5 ΩL33 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 15 ms, в mJ.

Vs = 6 VR = 5 ΩL = 33 mHt = 15 ms
W = mJ
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 VR1​ = 10 ΩR2​ = 10 Ωзамыкается при t = 0L220 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 0,585 A? Найдите t.

Vs = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩL = 220 mH
t = ms
13.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
14.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAIs​0,5 ABab

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

V1 = 10 VIs = 0,5 AR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
|H| (dB)0,010,010,10,111101010010010001000−20020406080100ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ω = 0,5

Найдите фазу ∠G(jω) функции G(s) = 44(s + 19)/(s(s + 3)) при ω = 0,5 rad/s в градусах.

G(s) = 44(s + 19)/(s(s + 3))ω = 0,5 rad/s
∠G(jω) = °
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 460/(s(s + 10)). Найдите запас по фазе PM в градусах.

L(s) = 460/(s(s + 10))
PM = °

3Растворы

1.Комплексные числа

Ответ: Im(w) = −1,394

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 и аргумент w

|w| = 4 · 4 = 16
θ = −35° + (−140)° = −175°

Алгебраическая форма

Re(w) = 16·cos(−175°) = −15,94
Im(w) = 16·sin(−175°) = −1,394
Im(w) = −1,394

Ответ

Im(w) = −1,394
2.Комплексные числа

Ответ: |z| = 4,272

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.

Дискриминант

p² − 4q = 64 − 73 = −9 < 0

Формула корней квадратного уравнения

z = (−8 ± j√9)/2 = −4 + j1,5, −4 − j1,5

Ответ

|z| = √((−4)² + 1,5²) = √18,25 = 4,272

Ответ

|z| = 4,272
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: φ = 48,93 °

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 = 628,3·0,2 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (91,8)²) = 121,8 Ω

Угол сдвига фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(91,8/80) = 48,93°

Ответ

φ = 48,93°
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: Q = 94,28

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|.

Резонансная частота

f0 = 1/(2π·√(0,02·0,01·10⁻⁶)) = 11254 Hz

Добротность

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/15)·√(0,02/(0,01·10⁻⁶)) = 94,28

Ответ

Q = 94,28
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,7848

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 = 26·tan(arccos 0,65) = 30,4 kvar
Q2 = −7·tan(arccos 0,85) = −4,338 kvar

Суммы

P = 26 + 7 = 33 kW
Q = 30,4 + (−4,338) = 26,06 kvar
S = √(33² + 26,06²) = 42,05 kVA

Общий коэффициент мощности

cos φ = P/S = 33/42,05 = 0,7848 отстающий

Ответ

cos φ = 0,7848
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: C = 974,8 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.

Реактивная мощность до и после

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

Q1 = P·tan φ1 = 50·tan(36,87°) = 37,5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(23,07°) = 21,3 kvar
QC = Q1 − Q2 = 16,2 kvar

Ёмкость

Конденсатор, подключённый к сети, поставляет Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 16200/(2π·50·230²) = 974,8 µF

Ответ

C = 974,8 µF
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: f1 = 4,099 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 = 5000·(1,02 − 0,2) = 4099 Hz = 4,099 kHz

Ответ

f1 = 4,099 kHz

Верхняя равна f₂ = 6,099 kHz; проверка: f₂ − f₁ = 2 kHz = f₀/Q.

8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: Ecycle = 4,371 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 = ½·0,0022·0,01² = 1,1 × 10⁻⁷ J

Добротность

Q = (1/2)·√(0,0022/2,2 × 10⁻⁸) = 158,1

Энергия, теряемая за период

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·1,1 × 10⁻⁷/158,1 = 4,371 × 10⁻⁹ J = 4,371 nJ
проверка: ½·0,01²·2/22877 = 4,371 × 10⁻⁹ J

Ответ

Ecycle = 4,371 nJ
9.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 13,82 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.

Фазное напряжение

Vph = 480/√3 = 277,1 V

Фазный ток

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
Iph = 277,1/10 = 27,71 A

Полная активная мощность

Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.

P = 3·Iph²·R = 3·27,71²·6 = 13,82 kW

Ответ

P = 13,82 kW

Проверка: cos φ = R/|Z| = 0,6, и √3·VL·IL·cos φ даёт ту же мощность.

10.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 1755 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 0,92) = 250·0,426 = 106,5 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 114 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 37993/(377·239,6²) = 1755 µF

Ответ

Cph = 1755 µF
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 19,12 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 = 33 mH / 5 Ω = 6,6 ms
i(∞) = Vs/R = 6/5 = 1,2 A

Ток в заданный момент

i(t) = 1,2·(1 − e−15/6,6) = 1,076 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·33·1,076² = 19,12 mJ

Ответ

W = 19,12 mJ
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 7,847 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 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.

i(0) = 9/(10 + 10) = 0,45 A
i(∞) = 9/10 = 0,9 A
τ = L/R = 220/10 = 22 ms
i(t) = 0,9 + (0,45 − 0,9)·e−t/τ

Выразите время

e−t/τ = (0,585 − 0,9)/(0,45 − 0,9) = 0,7
t = 22·ln(1,429) = 7,847 ms

Ответ

t = 7,847 ms
13.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 24,62 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​6 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 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 20 = 24,62 Ω
14.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,8846 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​ = 8 ΩКЗR2​10 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 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 8 = 13 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​10 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) = 5 + 0,5·5 = 7,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,5 + 0,5·8 = 11,5 V
IN​0,8846 ARth​13 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 = 11,5/13 = 0,8846 A
15.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ∠G(jω) = −97,95 °

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.

Сложите углы

∠G = atan(0,5/19) − 90° − atan(0,5/3) = 1,507° − 90° − 9,462°

Результат

∠G(j0,5) = −97,95°

Ответ

∠G(jω) = −97,95°
16.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: PM = 26,21 °

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 + 100ω² − 211600 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·211600))/2 = 412,7
ωc = 20,32 rad/s

Запас по фазе

∠L(jωc) = −90° − atan(20,32/10) = −153,8°
PM = 180° + ∠L = 26,21°

Ответ

PM = 26,21°

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