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
ReIm11−1−122−2−233−3−344−4−455−5−566−6−677−7−788−8−8zABCD

Діаграма показує z = −3 − j2. Для w = 2∠90° клікніть точку, що зображує z·w.

z = −3 − j2w = 2∠90°
  1. 1A (−4 + j6)
  2. 2B (−6 − j4)
  3. 3C (2 − j3)
  4. 4D (4 − j6)
2.Комплексні числаСкладна
ReIm11−1−122−2−2θz

Скористайтеся формулою Муавра, щоб знайти уявну частину z⁸ для z = 1 − j√3.

z = 1 − j√3n = 8
Im(z⁸) =
3.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
24 V60 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 100 µFI

Послідовне коло RLC підключено до мережі 24 V (діюче значення), 60 Hz. Знайдіть активну потужність P, що споживається від мережі.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 100 µF
P = W
4.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
24 V1000 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 10 µF

Послідовне коло RLC підключено до мережі 24 V (діюче значення), 1000 Hz. Знайдіть резонансну частоту f0 кола.

V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 10 µF
f0 = Hz
5.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
P = 21 kWQ = ?Sφ

Однофазний двигун споживає 21 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (індуктивному) від мережі 230 V. Знайдіть реактивну потужність Q, яку він споживає.

P = 21 kWpf = 0,75V = 230 V
Q = kvar
6.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
230 V50 Hzнавантаження3 kW, 0,7C150 µFI = ?

Однофазне навантаження споживає 3 kW з коефіцієнтом потужності 0,7 (індуктивним) від мережі 230 V, 50 Hz. Паралельно навантаженню під’єднують конденсатор ємністю 150 µF. Знайдіть новий струм лінії I.

P = 3 kWpf1 = 0,7V = 230 Vf = 50 HzC = 150 µF
I = A
7.LC-резонанс, добротність і смуга пропусканняСередня
f|I|0,7071200 kHzf1​ = ?f2​BW

Послідовний RLC-контур резонує на 200 kHz з Q = 3. Знайдіть точне значення нижньої частоти половинної потужності f1 в kHz.

f0 = 200 kHzQ = 3
f1 = kHz
8.LC-резонанс, добротність і смуга пропусканняСкладна
V50 ΩLC = ?

Спроєктуйте послідовний RLC-фільтр із повним опором 50 Ом, резонансною частотою 455 kHz і смугою пропускання 45,5 kHz. Знайдіть ємність C у нФ.

R = 50 Ωf0 = 455 kHzBW = 45,5 kHz
C = nF
9.Трифазні системиСередня
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M30 kW, η = 88%cos φ = 0,86

Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 30 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 88%, а коефіцієнт потужності 0,86, відстаючий. Лінійна напруга мережі 690 V. Знайдіть лінійний струм IL.

Pout = 30 kWη = 88%cos φ = 0,86VL = 690 V
IL = A
10.Трифазні системиСкладна
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симетричне трифазне навантаження споживає 150 kW при коефіцієнті потужності 0,8 (відстаючому) від мережі 480 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. Конденсатори з’єднано зіркою. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.

P = 150 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Перехідні процеси RC і RLСередня
R = 68 Ωt = 0L100 mHi(t)

Через котушку тече сталий струм 3 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.

i(0) = 3 AR = 68 ΩL = 100 mHt = 1 ms
i = A
12.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​20 Vt = 0R = 10 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 10 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 200 ms.

Vs = 20 VR = 10 kΩC = 47 µFvC(0) = 10 Vt = 200 ms
vC = V
13.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
14.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAIs​3 ABRL​4 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 4 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩRL = 4 Ω
IL = A
15.Діаграми Боде та запасиСередня
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 5

Знайдіть точний модуль |G(jω)| функції G(s) = 720/((s + 4)(s + 12)) за ω = 5 rad/s, у dB.

G(s) = 720/((s + 4)(s + 12))ω = 5 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 264/(s(s + 8)). Знайдіть частоту зрізу за підсиленням ωc, де |L(jω)| = 1.

L(s) = 264/(s(s + 8))
ωc = rad/s

3Розчини

1.Комплексні числа

Відповідь: D (4 − j6)

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.

Дія w

|z·w| = 2·|z|, arg(z·w) = arg z + 90°

Точка

z·w = 4 − j6 → D

Відповідь

D (4 − j6)
2.Комплексні числа

Відповідь: Im(z⁸) = −221,7

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.

Полярна форма

z = 1 − j√3 = 2∠−60°

Муавр

z⁸ = (2)⁸∠−480° = 256∠−120°

Алгебраїчна форма

z⁸ = 256·(cos −120° + j sin −120°) = −128 − j221,7
Im(z⁸) = −221,7

Відповідь

Im(z⁸) = −221,7
3.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: P = 9,434 W

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

XL = 56,55 Ω, XC = 26,53 Ω

Повний опір

|Z| = √(25² + (30,02)²) = 39,07 Ω

Активна потужність

Котушки й конденсатори лише накопичують і повертають енергію; усю активну потужність споживає резистор.

I = 24/39,07 = 0,6143 A
P = I²·R = 0,6143²·25 = 9,434 W

Відповідь

P = 9,434 W
4.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: f0 = 225,1 Hz

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|.

Резонанс

При резонансі індуктивний і ємнісний опори взаємно компенсуються: ωL = 1/(ωC). Частота мережі не має значення.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,05·10·10⁻⁶)) = 225,1 Hz

Відповідь

f0 = 225,1 Hz
5.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: Q = 18,52 kvar

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.

Кут

φ = arccos(0,75) = 41,41°, tan φ = 0,8819

Реактивна потужність

Q = P·tan φ = 21·0,8819 = 18,52 kvar

Відповідь

Q = 18,52 kvar
6.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: I = 13,28 A

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 = 3·tan(arccos 0,7) = 3,061 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·150·10⁻⁶ = 2493 var = 2,493 kvar
Q2 = 3,061 − 2,493 = 0,5678 kvar

Нова повна потужність

S2 = √(3² + 0,5678²) = 3,053 kVA

Новий струм лінії

I = S2/V = 3053/230 = 13,28 A

Відповідь

I = 13,28 A
7.LC-резонанс, добротність і смуга пропускання

Відповідь: f1 = 169,4 kHz

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).

Доданок із коренем

√(1 + 1/(4·3²)) = 1,014

Нижня частота половинної потужності

f1 = 200000·(1,014 − 0,1667) = 169425 Hz = 169,4 kHz

Відповідь

f1 = 169,4 kHz

Верхня дорівнює f₂ = 236,1 kHz; перевірка: f₂ − f₁ = 66,67 kHz = f₀/Q.

8.LC-резонанс, добротність і смуга пропускання

Відповідь: C = 0,6996 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) = 50/(2π·45500) = 0,0001749 H

Ємність за резонансною частотою

C = 1/((2π·455000)²·0,0001749) = 6,996 × 10⁻¹⁰ F = 0,6996 nF

Відповідь

C = 0,6996 nF

Q = f₀/BW = 10.

9.Трифазні системи

Відповідь: IL = 33,17 A

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.

Електрична вхідна потужність

Pin = Pout/η = 30/0,88 = 34,09 kW

Струм лінії

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 34091/(√3·690·0,86) = 33,17 A

Відповідь

IL = 33,17 A
10.Трифазні системи

Відповідь: Cph = 550,6 µF

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 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,9) = 150·0,4843 = 72,65 kvar

Реактивна потужність від конденсаторів

QC = Q1 − Q2 = 39,85 kvar

Ємність на фазу

У батареї, з’єднаній зіркою, кожен конденсатор увімкнено між лінійним проводом і нейтральною точкою.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13284/(314,2·277,1²) = 550,6 µF

Відповідь

Cph = 550,6 µF
11.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 1,52 A

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

τ = L/R = 100 mH / 68 Ω = 1,471 ms

Спадання струму

i(t) = 3·e−1/1,471 = 1,52 A

Відповідь

i = 1,52 A
12.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 13,47 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.

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) = 10 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 10 kΩ · 47 µF = 470 ms
vC(t) = 20 + (10 − 20)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(200) = 20 + (−10)·e−200/470 = 13,47 V

Відповідь

vC = 13,47 V
13.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 30 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​ = 20 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​20 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 20 = 30 Ω
14.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 2,429 A

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​ = 15 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​10 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 4 = 10 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAIs​3 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) = 4 + 3·6 = 22 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22 + 3·4 = 34 V
Rth​ = 10 Ω+−Vth​34 VRL​4 ΩIL​

Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена

Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 34/(10 + 4) = 2,429 A
15.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |G(jω)| = 18,74 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(j5)| = 720/(√(5² + 4²)·√(5² + 12²)) = 720/(6,403·13) = 8,65

Результат

20·log₁₀(8,65) = 18,74 dB

Відповідь

|G(jω)| = 18,74 dB
16.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: ωc = 15,29 rad/s

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.

Зріз за підсиленням

ω⁴ + 64ω² − 69696 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·69696))/2 = 233,9
ωc = 15,29 rad/s

Відповідь

ωc = 15,29 rad/s

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