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
ReIm11−1−122−2−2θz

Запишите z = 2,5∠160° в алгебраической форме a + jb и укажите действительную часть a.

r = 2,5θ = 160°
a =
2.Комплексные числаСложная
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

Один корень уравнения z³ + 6z² + 13z + 20 = 0 равен z₁ = −1 + j2. Коэффициенты действительны. Найдите действительный корень r.

z₁ = −1 + j2
r =
3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
120 V500 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 22 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 22 µF
φ = °
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
120 V200 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩC = 100 µF

Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 120 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩC = 100 µF
|Z| = Ω
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
230 VR + jXP = 1760 W8,5 A

Индуктивная нагрузка потребляет 8,5 A и 1760 W от однофазной сети 230 V (действующее значение). Представьте её как сопротивление R, соединённое последовательно с реактивным сопротивлением X. Найдите X.

V = 230 VI = 8,5 AP = 1760 W
X = Ω
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
230 V50 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j3 ΩZL​ = ?

Источник 230 V (действующее значение), 50 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 25 + j3 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Нагрузка для максимальной мощности составлена из резистора, соединённого последовательно с конденсатором. Найдите ёмкость C.

Vs = 230 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j3 Ω
C = µF
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
V10 kΩ1 mH10 nF

Параллельный RLC-контур имеет R = 10 kΩ, L = 1 mH и C = 10 nF. Найдите его добротность Q.

R = 10 kΩL = 1 mHC = 10 nF
Q =
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
V10 Ω220 µH47 nF200 mA

Последовательный RLC-контур (R = 10 Ω, L = 220 µH, C = 47 nF) питается на резонансе при амплитуде тока 200 mA. Найдите энергию Ecycle, рассеиваемую в R за один период, в µJ.

R = 10 ΩL = 220 µHC = 47 nFIm = 200 mA
Ecycle = µJ
9.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M7,5 kW, η = 93%cos φ = 0,9

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 7,5 kW. При этой нагрузке его КПД равен 93%, а коэффициент мощности 0,9 (отстающий). Линейное напряжение сети 400 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 7,5 kWη = 93%cos φ = 0,9VL = 400 V
IL = A
10.Трёхфазная мощностьСложная
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 80 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 = 80 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 6,8 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 = 60 ms.

Vs = 24 VR1 = 4,7 kΩR2 = 6,8 kΩC = 22 µFt = 60 ms
vC = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vt = 0R = 3,3 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 20 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 15 V? Найдите t.

Vs = 10 VR = 3,3 kΩC = 33 µFvC(0) = 20 V
t = ms
13.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩARL​5 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 5 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩRL = 5 Ω
IL = A
14.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAIs​2 ABab

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

V1 = 18 VIs = 2 AR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​L = 50 mHC = 1 µFR = 5 Ωvout​

В показанном последовательном RLC-полосовом фильтре выход берётся на R = 5 Ω при L = 50 mH и C = 1 µF. Найдите добротность Q.

R = 5 ΩL = 50 mHC = 1 µF
Q =
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 4)). Найдите запас по усилению GM в dB.

L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 4))
GM = dB

3Растворы

1.Комплексные числа

Ответ: a = −2,349

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 = 2,5·cos(160°) = −2,349
b = 2,5·sin(160°) = 0,8551

Алгебраическая форма

z = −2,349 + j0,8551
a = −2,349

Ответ

a = −2,349
2.Комплексные числа

Ответ: r = −4

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 − j2
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·(−1)·z + ((−1)² + 2²) = z² + 2z + 5

Выделите квадратный множитель

z³ + 6z² + 13z + 20 = (z² + 2z + 5)(z + 4)

Действительный корень

r = −4

Ответ

r = −4

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

3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: φ = 86,27 °

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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,2 = 628,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (613,8)²) = 615,2 Ω

Угол сдвига фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(613,8/40) = 86,27°

Ответ

φ = 86,27°
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: |Z| = 27,98 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·200·100·10⁻⁶) = 7,958 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 = 1,972 − j7,435 Ω

Полное сопротивление цепи

Z = 25 + 1,972 − j7,435 = 26,97 − j7,435 Ω
|Z| = √(26,97² + 7,435²) = 27,98 Ω

Ответ

|Z| = 27,98 Ω
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: X = 11,78 Ω

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.

Сопротивление по активной мощности

R = P/I² = 1760/8,5² = 24,36 Ω

Реактивное сопротивление по полному

|Z| = V/I = 230/8,5 = 27,06 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(27,06² − 24,36²) = 11,78 Ω

Ответ

X = 11,78 Ω
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: C = 1061 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.

Сопряжённое согласование

Реактивное сопротивление нагрузки компенсирует реактивное сопротивление источника, а активное сопротивление нагрузки равно активному сопротивлению источника.

ZL = Zs* = 25 − j3 Ω

Ёмкость

XC = 3 Ω → C = 1/(2π·50·3) = 1061 µF

Ответ

C = 1061 µF
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: Q = 31,62

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) = 316228 rad/s

Добротность

Q = R/(ω₀L) = 10000/(316228·0,001) = 31,62

Ответ

Q = 31,62

Полоса пропускания равна 1/(2πRC) = 1,592 kHz.

8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания

Ответ: Ecycle = 4,041 µJ

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 = ½·0,00022·0,2² = 4,4 × 10⁻⁶ J

Добротность

Q = (1/10)·√(0,00022/4,7 × 10⁻⁸) = 6,842

Энергия, теряемая за период

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·4,4 × 10⁻⁶/6,842 = 4,041 × 10⁻⁶ J = 4,041 µJ
проверка: ½·0,2²·10/49495 = 4,041 × 10⁻⁶ J

Ответ

Ecycle = 4,041 µJ
9.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 12,93 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 = 7,5/0,93 = 8,065 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8065/(√3·400·0,9) = 12,93 A

Ответ

IL = 12,93 A
10.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 50,81 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 0,72) = 80·0,9639 = 77,11 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,95) = 80·0,3287 = 26,29 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 50,81 kvar

Ответ

QC = 50,81 kvar
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 8,872 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 = 4,7·6,8/(4,7 + 6,8) = 2,779 kΩ
vC(∞) = 24·6,8/(4,7 + 6,8) = 14,19 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 2,779·22 = 61,14 ms

Кривая заряда

vC(t) = 14,19·(1 − e−60/61,14) = 8,872 V

Ответ

vC = 8,872 V
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 75,48 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

Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.

vC(0) = 20 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 33 µF = 108,9 ms
vC(t) = 10 + (20 − 10)·e−t/τ

Выразите время

15 = 10 + (10)·e−t/τ → e−t/τ = (15 − 10)/(20 − 10) = 0,5
t = τ·ln((20 − 10)/(15 − 10)) = 108,9·ln(2) = 75,48 ms

Ответ

t = 75,48 ms
13.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 1,412 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​ = 5 ΩR3​ = 3 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 3 = 6,333 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 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) = 24·10/(5+10) = 16 V
Rth​ = 6,333 Ω+−Vth​16 VRL​5 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) = 16/(6,333 + 5) = 1,412 A
14.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 2,133 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​5 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 = 30·5/(30+5) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 15 = 19,29 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​5 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) = 2,571 + 2·4,286 = 11,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,14 + 2·15 = 41,14 V
IN​2,133 ARth​19,29 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 = 41,14/19,29 = 2,133 A
15.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: Q = 44,72

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.

Резонансная частота

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·1 × 10⁻⁶) = 4472 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 711,8 Hz

Добротность

BW = R/L = 5/0,05 = 100 rad/s = 15,92 Hz
Q = ω₀/BW = 4472/100 = 44,72

Ответ

Q = 44,72
16.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: GM = 20 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/1)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(1·4) = 2 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 16)) = K/(1·4·(1 + 4)) = K/20

Запас по усилению

GM = 20·log₁₀(20/2) = 20 dB

Ответ

GM = 20 dB

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