Теорія електричних кіл 2: кола змінного струму: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 16 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Комплексні числа

Алгебраїчна форма
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Модуль і аргумент
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Полярна та показникова форми
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Ділення
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Добуток і частка
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
Муавр
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
Корені n-го степеня
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Квадратне рівняння з p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Метод

  1. Оберіть форму, що підходить для операції: алгебраїчну a + jb для додавання й віднімання, полярну r∠θ для множення, ділення, степенів і коренів.
  2. Розкривайте дужки з j² = −1; діліть, помноживши чисельник і знаменник на спряжене знаменника.
  3. Перетворюйте за r = √(a² + b²) і θ за ескізом точки (перевірте чверть), а назад — за a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Для степенів користуйтеся формулою Муавра, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; для zⁿ = R∠φ випишіть усі n коренів R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Повний опір і комплексні амплітуди

Повні опори
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Кутова частота
ω = 2πf
Модуль і кут
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Закон Ома в комплексній формі
V = I·Z

Метод

  1. Переведіть частоту: ω = 2πf.
  2. Знайдіть кожен реактивний опір: XL = ωL і XC = 1/(ωC).
  3. Додавайте опори як резистори, з Z = R + jX.
  4. Знайдіть модуль |Z| = √(R² + X²) і кут φ = atan(X/R), потім застосуйте закон Ома для комплексних амплітуд.

Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Активна потужність
P = V·I·cos φ
Реактивна потужність
Q = V·I·sin φ
Повна потужність
S = V·I = √(P² + Q²)
Коефіцієнт потужності
pf = cos φ = P/S
Компенсувальний конденсатор
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

LC-резонанс, добротність і смуга пропускання

Власна частота
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Енергія
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Піковий струм
Imax = V0√(C/L)
Добротність
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
Послідовний RLC-контур
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
Паралельний RLC-контур
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Смуга пропускання
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Частоти половинної потужності
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Контур з опором котушки r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Згасання амплітуди
e−Rt/(2L)

Метод

  1. Спершу знайдіть резонансну частоту: ω₀ = 1/√(LC) і f₀ = ω₀/(2π).
  2. Визначте, чи контур послідовний, чи паралельний: послідовний Q = (1/R)√(L/C), паралельний Q = R√(C/L).
  3. Для смуги пропускання користуйтеся BW = f₀/Q або скороченнями R/(2πL) (послідовний) і 1/(2πRC) (паралельний).
  4. У задачах на енергію враховуйте, що повна енергія ½CV₀² в ідеальному LC-контурі лишається сталою й щочверті періоду переходить між C і L.

Трифазні системи

З’єднання зіркою (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
З’єднання трикутником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Сумарна активна потужність
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Повна й реактивна потужність
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсувальні конденсатори
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напруга на кожному конденсаторі
Δ: VL Y: VL/√3
Вхідна потужність двигуна
Pin = Pout/η

Перехідні процеси RC і RL

Стала часу
τ = RC | τ = L/R
Відгук
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постійному струмі
розрив; vC не може змінитися стрибком
Котушка на постійному струмі
коротке замикання; iL не може змінитися стрибком
Усталений режим
t ≈ 5τ

Метод

  1. Знайдіть початкове значення одразу після комутації: напруга на конденсаторі й струм через котушку не можуть змінитися стрибком.
  2. Знайдіть кінцеве значення через довгий час після комутації: конденсатор поводиться як розрив, котушка — як коротке замикання.
  3. Знайдіть сталу часу: τ = RC або τ = L/R, використовуючи опір з боку конденсатора чи котушки.
  4. Використайте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Тевенен і Нортон

Напруга Тевенена
Vth = Vopen circuit
Опір Тевенена
Rth: усі джерела вимкнені, з боку a–b
Струм Нортона
IN = Vth/Rth
Струм навантаження
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальної потужності
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Метод

  1. Від’єднайте навантаження й позначте два затискачі a і b.
  2. Знайдіть напругу холостого ходу між a і b: це Vth.
  3. Вимкніть усі незалежні джерела й знайдіть опір з боку a–b: це Rth.
  4. Поверніть навантаження до еквівалентної схеми: Vth послідовно з Rth.
  5. Для еквівалента Нортона перетворіть: IN = Vth/Rth, з паралельним RN = Rth.

2Задачі для практики

1.Комплексні числаСередня
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂w

Нехай z₁ = 1,5∠−35° і z₂ = 2∠−95°; знайдіть дійсну частину w = z₁·z₂.

z₁ = 1,5∠−35°z₂ = 2∠−95°
Re(w) =
2.Комплексні числаСкладна
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Один із коренів z³ − 12z² + 52z − 80 = 0 дорівнює z₁ = 4 + j2. Коефіцієнти дійсні. Знайдіть дійсний корінь r.

z₁ = 4 + j2
r =
3.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
50 V500 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 47 µFI

Послідовне коло RLC підключено до мережі 50 V (діюче значення), 500 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 47 µF
I = A
4.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
120 V1000 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Послідовне коло RLC підключено до мережі 120 V (діюче значення), 1000 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
5.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
230 V126 kW, 0,65228 kW, 0,9I

До однофазної мережі 230 V паралельно під’єднано два навантаження: навантаження 26 kW з коефіцієнтом потужності 0,65 (індуктивним) і навантаження 28 kW з коефіцієнтом потужності 0,9 (ємнісним). Знайдіть загальний коефіцієнт потужності cos φ з боку мережі.

V = 230 VP1 = 26 kW, pf1 = 0,65 відстаючийP2 = 28 kW, pf2 = 0,9 ємнісний
cos φ =
6.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
400 V60 Hzнавантаження21 kW, 0,75C47 µFI

Однофазне навантаження споживає 21 kW з коефіцієнтом потужності 0,75 (індуктивним) від мережі 400 V, 60 Hz. Паралельно навантаженню під’єднують конденсатор ємністю 47 µF. Знайдіть новий коефіцієнт потужності cos φ з боку мережі.

P = 21 kWpf1 = 0,75V = 400 Vf = 60 HzC = 47 µF
cos φ =
7.LC-резонанс, добротність і смуга пропусканняСередня
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 220 µHC = 1 µF

В ідеальному LC-контурі з L = 220 µH і C = 1 µF конденсатор повністю заряджений при t = 0. Через який час уся енергія опиниться в котушці? Подайте t у мкс.

L = 220 µHC = 1 µF
t = µs
8.LC-резонанс, добротність і смуга пропусканняСкладна
V100 ΩLC = ?

Спроєктуйте послідовний RLC-фільтр із повним опором 100 Ом, резонансною частотою 500 kHz і смугою пропускання 10 kHz. Знайдіть ємність C у нФ.

R = 100 Ωf0 = 500 kHzBW = 10 kHz
C = nF
9.Трифазні системиСередня
ABCVL​ = 690 VIL​ = 12 Acos φ = 0,8відстаючий

Симетричне трифазне навантаження споживає лінійний струм 12 A від мережі з лінійною напругою 690 V. Коефіцієнт потужності 0,8, відстаючий. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку споживає навантаження, у kW.

VL = 690 VIL = 12 Acos φ = 0,8
P = kW
10.Трифазні системиСкладна
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симетричне трифазне навантаження споживає 100 kW при коефіцієнті потужності 0,72 (відстаючому) від мережі 415 V (лінійна напруга), 50 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,9 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Знайдіть сумарну реактивну потужність QC, яку має постачати конденсаторна батарея, у kvar.

P = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​24 Vt = 0R = 47 ΩL100 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 5 ms.

Vs = 24 VR = 47 ΩL = 100 mHt = 5 ms
vL = V
12.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 15 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 9 V? Знайдіть t.

Vs = 5 VR = 10 kΩC = 47 µFvC(0) = 15 V
t = ms
13.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 Ω
Rth = Ω
14.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 30 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAIs​1,5 ABab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 15 VIs = 1,5 AR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
15.Діаграми Боде та запасиСередня
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 8

Знайдіть точний модуль |G(jω)| функції G(s) = 1224/((s + 6)(s + 17)) за ω = 8 rad/s, у dB.

G(s) = 1224/((s + 6)(s + 17))ω = 8 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8)). Знайдіть підсилення K, що дає запас за підсиленням 6 dB.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))GM = 6 dB
K =

3Розчини

1.Комплексні числа

Відповідь: Re(w) = −1,928

Полярна форма: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, де r = |z| і θ = arg z. Назад до алгебраїчної форми: a = r cos θ, b = r sin θ. Для аргументу потрібна чверть: θ = atan(b/a) лише за a > 0; за a < 0 додайте або відніміть 180°. У полярній формі множення просте: перемножте модулі й додайте аргументи; для ділення поділіть модулі й відніміть аргументи.

Модуль і аргумент w

|w| = 1,5 · 2 = 3
θ = −35° + (−95)° = −130°

Алгебраїчна форма

Re(w) = 3·cos(−130°) = −1,928
Im(w) = 3·sin(−130°) = −2,298
Re(w) = −1,928

Відповідь

Re(w) = −1,928
2.Комплексні числа

Відповідь: r = 4

Формула Муавра та корені: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. Рівняння zⁿ = R∠φ має рівно n коренів, усі з модулем R1/n, з аргументами (φ + 360°·k)/n для k = 0, 1, …, n − 1: вони лежать рівномірно на колі, на відстані 360°/n один від одного. Квадратне рівняння z² + pz + q = 0 за p² < 4q має комплексні корені z = −p/2 ± j√(q − p²/4); многочлен з дійсними коефіцієнтами завжди має комплексні корені спряженими парами a ± jb.

Спряжена пара

z₂ = 4 − j2
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·4·z + (4² + 2²) = z² − 8z + 20

Винесіть квадратний множник

z³ − 12z² + 52z − 80 = (z² − 8z + 20)(z − 4)

Дійсний корінь

r = 4

Відповідь

r = 4

Перевірте сумою коренів: z₁ + z₂ + r = 8 + 4 = 12 = −(−12).

3.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: I = 0,3089 A

Кола змінного струму й комплексний метод: резистори, котушки й конденсатори мають повні опори R, jωL і 1/(jωC), де ω = 2πf. Послідовно повні опори додаються як опори, але як комплексні числа. Діючі значення струму й напруги підкоряються закону Ома з |Z|.

Реактивні опори

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·47·10⁻⁶) = 6,773 Ω

Повний опір

Послідовно повні опори додаються як комплексні числа: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (150,3)²) = 161,8 Ω

Струм

Через кожен елемент послідовного кола тече той самий струм.

I = V/|Z| = 50/161,8 = 0,3089 A

Відповідь

I = 0,3089 A
4.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: I = 0,8129 A

Кола змінного струму й комплексний метод: резистори, котушки й конденсатори мають повні опори R, jωL і 1/(jωC), де ω = 2πf. Послідовно повні опори додаються як опори, але як комплексні числа. Діючі значення струму й напруги підкоряються закону Ома з |Z|.

Реактивні опори

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,02 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·100·10⁻⁶) = 1,592 Ω

Повний опір

Послідовно повні опори додаються як комплексні числа: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (124,1)²) = 147,6 Ω

Струм

Через кожен елемент послідовного кола тече той самий струм.

I = V/|Z| = 120/147,6 = 0,8129 A

Відповідь

I = 0,8129 A
5.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: cos φ = 0,9547

Потужність змінного струму: повна потужність S = V·I (VA) складається з активної потужності P = S·cos φ (W), що виконує корисну роботу, і реактивної потужності Q = S·sin φ (var), що коливається між джерелом і навантаженням. Коефіцієнт потужності — cos φ. Паралельний конденсатор постачає реактивну потужність на місці, тож струм лінії зменшується за тієї самої активної потужності.

Реактивна потужність кожного навантаження

Індуктивне навантаження споживає реактивну потужність (Q > 0); ємнісне — віддає її (Q < 0).

Q1 = 26·tan(arccos 0,65) = 30,4 kvar
Q2 = −28·tan(arccos 0,9) = −13,56 kvar

Сумарні значення

P = 26 + 28 = 54 kW
Q = 30,4 + (−13,56) = 16,84 kvar
S = √(54² + 16,84²) = 56,56 kVA

Загальний коефіцієнт потужності

cos φ = P/S = 54/56,56 = 0,9547 відстаючий

Відповідь

cos φ = 0,9547
6.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: cos φ = 0,8012

Потужність змінного струму: повна потужність S = V·I (VA) складається з активної потужності P = S·cos φ (W), що виконує корисну роботу, і реактивної потужності Q = S·sin φ (var), що коливається між джерелом і навантаженням. Коефіцієнт потужності — cos φ. Паралельний конденсатор постачає реактивну потужність на місці, тож струм лінії зменшується за тієї самої активної потужності.

Реактивна потужність до і після

Активна потужність P не змінюється; змінюється лише реактивна потужність із мережі.

Q1 = 21·tan(arccos 0,75) = 18,52 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·47·10⁻⁶ = 2835 var = 2,835 kvar
Q2 = 18,52 − 2,835 = 15,69 kvar

Нова повна потужність

S2 = √(21² + 15,69²) = 26,21 kVA

Новий коефіцієнт потужності

cos φ = P/S2 = 21/26,21 = 0,8012

Відповідь

cos φ = 0,8012
7.LC-резонанс, добротність і смуга пропускання

Відповідь: t = 23,3 µs

LC-резонанс: заряджений конденсатор, підключений до котушки індуктивності, породжує струм, який заряджає його в протилежний бік: енергія коливається між електричним полем C (½Cv²) і магнітним полем L (½Li²) на власній частоті f0 = 1/(2π√(LC)). Без опору повна енергія ½CV0² стала, тож піковий струм дорівнює Imax = V0√(C/L). Один період — T = 1/f0; енергія переходить від C до L за чверть періоду.

Період

T = 2π√(0,00022·1 × 10⁻⁶) = 93,19 µs

Чверть періоду

t = T/4 = 23,3 µs

Відповідь

t = 23,3 µs
8.LC-резонанс, добротність і смуга пропускання

Відповідь: C = 0,06366 nF

Добротність і смуга пропускання: у резонансному колі Q = 2π·(запасена енергія)/(втрачена за цикл енергія). Для послідовного RLC Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); для паралельного RLC Q = R/(ω0L) = R√(C/L). Смуга пропускання між частотами половинної потужності f1 і f2 (де потужність удвічі менша, а струм чи напруга становлять 1/√2 від піка) дорівнює BW = f2 − f1 = f0/Q, тобто R/(2πL) у послідовному й 1/(2πRC) у паралельному контурі. Резонансна частота є середнім геометричним f0 = √(f1f2), а f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Втрати також спричиняють згасання коливань: у послідовному RLC амплітуда спадає як e−Rt/(2L).

Індуктивність за смугою пропускання

L = R/(2π·BW) = 100/(2π·10000) = 0,001592 H

Ємність за резонансною частотою

C = 1/((2π·500000)²·0,001592) = 6,366 × 10⁻¹¹ F = 0,06366 nF

Відповідь

C = 0,06366 nF

Q = f₀/BW = 50.

9.Трифазні системи

Відповідь: P = 11,47 kW

Симетричні трифазні системи: у з’єднанні зіркою (Y) лінійна напруга в √3 разів більша за фазну, VL = √3·Vph, а лінійний струм дорівнює фазному. У з’єднанні трикутником (Δ) лінійна напруга дорівнює фазній, а лінійний струм у √3 разів більший за фазний, IL = √3·Iph. Сумарна потужність утричі більша за потужність однієї фази: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Повна потужність

S = √3·VL·IL = √3·690·12 = 14,34 kVA

Активна потужність

P = S·cos φ = 14,34·0,8 = 11,47 kW

Відповідь

P = 11,47 kW
10.Трифазні системи

Відповідь: QC = 47,95 kvar

Симетричні трифазні системи: у з’єднанні зіркою (Y) лінійна напруга в √3 разів більша за фазну, VL = √3·Vph, а лінійний струм дорівнює фазному. У з’єднанні трикутником (Δ) лінійна напруга дорівнює фазній, а лінійний струм у √3 разів більший за фазний, IL = √3·Iph. Сумарна потужність утричі більша за потужність однієї фази: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсація реактивної потужності: конденсатори постачають реактивну потужність на місці, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Кожен із трьох конденсаторів дає QC/3 = V²·ω·C, де V — напруга на цьому конденсаторі: VL у батареї, з’єднаній трикутником, VL/√3 — у батареї, з’єднаній зіркою.

Реактивна потужність до і після

Активна потужність не змінюється, тож кожен коефіцієнт потужності визначає реактивну потужність: Q = P·tan φ.

Q1 = 100·tan(acos 0,72) = 100·0,9639 = 96,39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,9) = 100·0,4843 = 48,43 kvar

Реактивна потужність від конденсаторів

QC = Q1 − Q2 = 47,95 kvar

Відповідь

QC = 47,95 kvar
11.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 2,289 V

Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.

Стала часу і кінцевий струм

Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.

τ = L/R = 100 mH / 47 Ω = 2,128 ms
i(∞) = Vs/R = 24/47 = 0,5106 A

Напруга на котушці

У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 24·e−5/2,128 = 2,289 V

Відповідь

vL = 2,289 V
12.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 430,7 ms

Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.

Початкове значення, кінцеве значення, стала часу

Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.

vC(0) = 15 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 10 kΩ · 47 µF = 470 ms
vC(t) = 5 + (15 − 5)·e−t/τ

Виразіть час

9 = 5 + (10)·e−t/τ → e−t/τ = (9 − 5)/(15 − 5) = 0,4
t = τ·ln((15 − 5)/(9 − 5)) = 470·ln(2,5) = 430,7 ms

Відповідь

t = 430,7 ms
13.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 11,33 Ω

Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.

R1​ = 2 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​4 ΩAabRth​

Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами

Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.

R1 ∥ R2 = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 10 = 11,33 Ω
14.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 17,45 V

Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.

R1​ = 30 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​3 ΩAОБРИВBabRth​

Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами

Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.

R1 ∥ R2 = 30·3/(30+3) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 8 = 10,73 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAIs​1,5 ABab+−Vth​

Знайдіть Vth — напругу холостого ходу

Коли a–b розімкнені, Iₛ може текти лише через R₃ у вузол A. Знайдіть V_A накладанням V₁ та Iₛ, потім додайте спад на R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 1,364 + 1,5·2,727 = 5,455 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,455 + 1,5·8 = 17,45 V
15.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |G(jω)| = 16,28 dB

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Перемножте модулі

|G(j8)| = 1224/(√(8² + 6²)·√(8² + 17²)) = 1224/(10·18,79) = 6,515

Результат

20·log₁₀(6,515) = 16,28 dB

Відповідь

|G(jω)| = 16,28 dB
16.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: K = 336,8

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Перетин за фазою

(ω/6)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(6·8) = 6,928 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 64)) = K/(6·8·(6 + 8)) = K/672

Потрібне підсилення

672/K = 106/20 = 1,995
K = 672/1,995 = 336,8

Відповідь

K = 336,8

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