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

У числа z = 5·ej2,8 угол задан в радианах. Найдите его мнимую часть b.

r = 5θ = 2,8 rad
b =
2.Комплексные числаСложная
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Один корень уравнения z³ − 5z² + z + 75 = 0 равен z₁ = 4 + j3. Коэффициенты действительны. Найдите действительный корень r.

z₁ = 4 + j3
r =
3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
24 V60 HzR = 25 ΩL = 200 mHC = 47 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 24 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 200 mHC = 47 µF
I = A
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
120 V1000 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 1 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 1000 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 1 µF
I = A
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
240 V122 kW, 0,65220 kW, 0,85I

К однофазной сети 240 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 22 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) и нагрузка 20 kW при коэффициенте мощности 0,85 (ёмкостном). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

V = 240 VP1 = 22 kW, pf1 = 0,65 отстающийP2 = 20 kW, pf2 = 0,85 опережающий
cos φ =
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P1​ = 77 kWQ1​S1​φ

Однофазный трансформатор 150 kVA питает нагрузку 77 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном). Какую дополнительную активную мощность ΔP можно добавить в виде активной нагрузки (коэффициент мощности 1), прежде чем трансформатор достигнет своей номинальной мощности в kVA?

Smax = 150 kVAP1 = 77 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
C = 2,2 µF+−8 VL = 220 µHiL​

Конденсатор 2,2 µF, заряженный до 10 V, колеблется с идеальной катушкой 220 µH. Найдите энергию WL, запасённую в катушке в момент, когда напряжение на конденсаторе равно 8 V, в µJ.

C = 2,2 µFV0 = 10 VvC = 8 V
WL = µJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
V100 ΩLC = ?

Спроектируйте последовательный RLC-фильтр с полным сопротивлением 100 Ω, резонансной частотой 100 kHz и полосой пропускания 2 kHz. Найдите ёмкость C в nF.

R = 100 Ωf0 = 100 kHzBW = 2 kHz
C = nF
9.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M30 kW, η = 88%cos φ = 0,9

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 30 kW. При этой нагрузке его КПД равен 88%, а коэффициент мощности 0,9 (отстающий). Линейное напряжение сети 690 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 30 kWη = 88%cos φ = 0,9VL = 690 V
IL = A
10.Трёхфазная мощностьСложная
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 80 kW при коэффициенте мощности 0,75 (отстающий) от сети 415 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,98 (отстающий). Активная мощность не меняется. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 1 kΩC220 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 = 120 ms.

Vs = 9 VR1 = 10 kΩR2 = 1 kΩC = 220 µFt = 120 ms
vC = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 6,8 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 8 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 120 ms.

Vs = 5 VR = 6,8 kΩC = 22 µFvC(0) = 8 Vt = 120 ms
vC = V
13.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
14.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAIs​2 ABRL​2 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 2 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩRL = 2 Ω
PL = W
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 1

Найдите фазу ∠G(jω) функции G(s) = 3(s + 19)/(s(s + 9)) при ω = 1 rad/s в градусах.

G(s) = 3(s + 19)/(s(s + 9))ω = 1 rad/s
∠G(jω) = °
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 60/(s(s + 4)). Найдите запас по фазе PM в градусах.

L(s) = 60/(s(s + 4))
PM = °

3Растворы

1.Комплексные числа

Ответ: b = 1,675

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.

Формула Эйлера

z = 5·(cos 2,8 + j sin 2,8)

Компоненты (радианы)

a = 5·cos 2,8 = −4,711
b = 5·sin 2,8 = 1,675
b = 1,675

Ответ

b = 1,675
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 = 4 − j3
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·4·z + (4² + 3²) = z² − 8z + 25

Выделите квадратный множитель

z³ − 5z² + z + 75 = (z² − 8z + 25)(z + 3)

Действительный корень

r = −3

Ответ

r = −3

Проверьте по сумме корней: z₁ + z₂ + r = 8 + (−3) = 5 = −(−5).

3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,7649 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,2 = 75,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·47·10⁻⁶) = 56,44 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (18,96)²) = 31,38 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 24/31,38 = 0,7649 A

Ответ

I = 0,7649 A
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,2553 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 = 6283·0,1 = 628,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·1·10⁻⁶) = 159,2 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (469,2)²) = 470,1 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 120/470,1 = 0,2553 A

Ответ

I = 0,2553 A
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,9532

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 = 22·tan(arccos 0,65) = 25,72 kvar
Q2 = −20·tan(arccos 0,85) = −12,39 kvar

Суммы

P = 22 + 20 = 42 kW
Q = 25,72 + (−12,39) = 13,33 kvar
S = √(42² + 13,33²) = 44,06 kVA

Общий коэффициент мощности

cos φ = P/S = 42/44,06 = 0,9532 отстающий

Ответ

cos φ = 0,9532
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: ΔP = 42,98 kW

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 существующей нагрузки

Q1 = 77·tan(arccos 0,65) = 90,02 kvar

Наибольшая суммарная активная мощность

При полной нагрузке S = Smax, а Q от активной нагрузки не меняется.

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 90,02²) = 120 kW

Дополнительная активная мощность

ΔP = 120 − 77 = 42,98 kW

Ответ

ΔP = 42,98 kW
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: WL = 39,6 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 × 10⁻⁶·10² = 0,00011 J

Энергия, оставшаяся в конденсаторе

½·2,2 × 10⁻⁶·8² = 7,04 × 10⁻⁵ J

Энергия в катушке

WL = 3,96 × 10⁻⁵ J = 39,6 µJ

Ответ

WL = 39,6 µJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: C = 0,3183 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) = 100/(2π·2000) = 0,007958 H

Ёмкость по резонансной частоте

C = 1/((2π·100000)²·0,007958) = 3,183 × 10⁻¹⁰ F = 0,3183 nF

Ответ

C = 0,3183 nF

Q = f₀/BW = 50.

9.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 31,69 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 = 30/0,88 = 34,09 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 34091/(√3·690·0,9) = 31,69 A

Ответ

IL = 31,69 A
10.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 54,31 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 = 80·tan(acos 0,75) = 80·0,8819 = 70,55 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,98) = 80·0,2031 = 16,24 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 54,31 kvar

Ответ

QC = 54,31 kvar
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 0,3692 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 = 10·1/(10 + 1) = 0,9091 kΩ
vC(∞) = 9·1/(10 + 1) = 0,8182 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 0,9091·220 = 200 ms

Кривая заряда

vC(t) = 0,8182·(1 − e−120/200) = 0,3692 V

Ответ

vC = 0,3692 V
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 6,345 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 22 µF = 149,6 ms
vC(t) = 5 + (8 − 5)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(120) = 5 + (3)·e−120/149,6 = 6,345 V

Ответ

vC = 6,345 V
13.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 1,765 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​ = 3 ΩR3​ = 8 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 8 = 9,714 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 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) = 30·4/(3+4) = 17,14 V
IN​1,765 ARth​9,714 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 = 17,14/9,714 = 1,765 A
14.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 6,285 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​ = 12 ΩR3​ = 6 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 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 6 = 9 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​4 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) = 1,5 + 2·3 = 7,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,5 + 2·6 = 19,5 V
Rth​ = 9 Ω+−Vth​19,5 VRL​2 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) = 19,5/(9 + 2) = 1,773 A
PL = IL²·RL = 1,773²·2 = 6,285 W
15.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ∠G(jω) = −93,33 °

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(1/19) − 90° − atan(1/9) = 3,013° − 90° − 6,34°

Результат

∠G(j1) = −93,33°

Ответ

∠G(jω) = −93,33°
16.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: PM = 28,89 °

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 + 16ω² − 3600 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·3600))/2 = 52,53
ωc = 7,248 rad/s

Запас по фазе

∠L(jωc) = −90° − atan(7,248/4) = −151,1°
PM = 180° + ∠L = 28,89°

Ответ

PM = 28,89°

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