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
ReIm22−2−244−4−4θz

Число z = 6·e−j2,5 має кут у радіанах. Знайдіть його дійсну частину a.

r = 6θ = −2,5 rad
a =
2.Комплексні числаСкладна
ReIm22−2−244−4−466−6−6ABCD

Рівно одна з точок A–D є коренем рівняння z⁶ = 729∠90°. Клікніть її.

w = 729∠90°n = 6
  1. 1A (3∠45°)
  2. 2B (3∠90°)
  3. 3C (5,4∠15°)
  4. 4D (3∠15°)
3.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
230 V200 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 10 µF

Послідовне коло RLC підключено до мережі 230 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть кут зсуву фаз φ повного опору в градусах (додатний, коли струм відстає від напруги).

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 10 µF
φ = °
4.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
230 V1000 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 100 µF

Послідовне коло RLC підключено до мережі 230 V (діюче значення), 1000 Hz. Знайдіть резонансну частоту f0 кола.

V = 230 V (rms)f = 1000 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 100 µF
f0 = Hz
5.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
230 VR + jXP = 2622 W19 A

Індуктивне навантаження споживає 19 A і 2622 W від однофазної мережі 230 V (діюче значення). Подайте його як активний опір R, послідовно з’єднаний з реактивним опором X. Знайдіть X.

V = 230 VI = 19 AP = 2622 W
X = Ω
6.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазне навантаження споживає 30 kW при коефіцієнті потужності 0,6 (індуктивному) від мережі 230 V, 50 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,98. Знайдіть реактивну потужність QC, яку має постачати конденсатор.

P = 30 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,98V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.LC-резонанс, добротність і смуга пропусканняСередня
C = 470 nF+−18 VL = 47 µHiL​

Конденсатор 470 nF, заряджений до 24 В, коливається з ідеальною котушкою 47 µH. Знайдіть енергію WL, запасену в котушці в мить, коли напруга на конденсаторі дорівнює 18 В, в µJ.

C = 470 nFV0 = 24 VvC = 18 V
WL = µJ
8.LC-резонанс, добротність і смуга пропусканняСкладна
V50 ΩLC = ?

Спроєктуйте послідовний RLC-фільтр із повним опором 50 Ом, резонансною частотою 500 kHz і смугою пропускання 12,5 kHz. Знайдіть ємність C у нФ.

R = 50 Ωf0 = 500 kHzBW = 12,5 kHz
C = nF
9.Трифазні системиСередня
ABCVL​ = 208 VZ = 7 + j24 Ωна фазу

Симетричне навантаження, з’єднане трикутником, з повним опором 7 + j24 Ω на фазу підключене до симетричної трифазної мережі з лінійною напругою 208 V. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку поглинає навантаження, у kW.

VL = 208 VZ = 7 + j24 Ω на фазу
P = kW
10.Трифазні системиСкладна
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симетричне трифазне навантаження споживає 120 kW при коефіцієнті потужності 0,78 (відстаючому) від мережі 480 V (лінійна напруга), 60 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,92 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Конденсатори з’єднано зіркою. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.

P = 120 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​5 Vt = 0R = 15 ΩL150 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 5 ms.

Vs = 5 VR = 15 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
12.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​6 Vрозмикається при t = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 4,7 kΩi2​C22 µF+−vC​

Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм i2 через R2 при t = 75 ms.

Vs = 6 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 22 µFt = 75 ms
i2 = mA
13.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAab

Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
14.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​25 ΩAIs​3 ABab

Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.

V1 = 5 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 25 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
15.Діаграми Боде та запасиСередня
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 15

Знайдіть фазу ∠G(jω) функції G(s) = 11(s + 12)/(s(s + 6)) за ω = 15 rad/s, у градусах.

G(s) = 11(s + 12)/(s(s + 6))ω = 15 rad/s
∠G(jω) = °
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 + 2)(s + 8)). Знайдіть підсилення K, що дає запас за підсиленням 3 dB.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8))GM = 3 dB
K =

3Розчини

1.Комплексні числа

Відповідь: a = −4,807

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.

Формула Ейлера

z = 6·(cos −2,5 + j sin −2,5)

Компоненти (радіани)

a = 6·cos −2,5 = −4,807
b = 6·sin −2,5 = −3,591
a = −4,807

Відповідь

a = −4,807
2.Комплексні числа

Відповідь: D (3∠15°)

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.

Модуль і аргументи коренів

|z| = 3
θ = 15°, 75°, 135°, −165°, −105°, −45°

Точка

D = 3∠15°

Відповідь

D (3∠15°)
3.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: φ = 77,07 °

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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79,58 Ω

Повний опір

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (108,9)²) = 111,8 Ω

Кут зсуву фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(108,9/25) = 77,07°

Відповідь

φ = 77,07°
4.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: f0 = 41,09 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·√(0,15·100·10⁻⁶)) = 41,09 Hz

Відповідь

f0 = 41,09 Hz
5.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: X = 9,684 Ω

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.

Активний опір з активної потужності

R = P/I² = 2622/19² = 7,263 Ω

Реактивний опір з повного опору

|Z| = V/I = 230/19 = 12,11 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(12,11² − 7,263²) = 9,684 Ω

Відповідь

X = 9,684 Ω
6.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: QC = 33,91 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.

Реактивна потужність до і після

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

Q1 = P·tan φ1 = 30·tan(53,13°) = 40 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(11,48°) = 6,092 kvar
QC = Q1 − Q2 = 33,91 kvar

Відповідь

QC = 33,91 kvar
7.LC-резонанс, добротність і смуга пропускання

Відповідь: WL = 59,22 µJ

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.

Повна енергія

½·4,7 × 10⁻⁷·24² = 0,0001354 J

Енергія, що лишилася в конденсаторі

½·4,7 × 10⁻⁷·18² = 7,614 × 10⁻⁵ J

Енергія в котушці

WL = 5,922 × 10⁻⁵ J = 59,22 µJ

Відповідь

WL = 59,22 µJ
8.LC-резонанс, добротність і смуга пропускання

Відповідь: C = 0,1592 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·12500) = 0,0006366 H

Ємність за резонансною частотою

C = 1/((2π·500000)²·0,0006366) = 1,592 × 10⁻¹⁰ F = 0,1592 nF

Відповідь

C = 0,1592 nF

Q = f₀/BW = 40.

9.Трифазні системи

Відповідь: P = 1,454 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.

Фазна напруга

Vph = VL = 208 V

Фазний струм

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
Iph = 208/25 = 8,32 A

Сумарна активна потужність

Активну потужність поглинає лише активна складова кожного опору.

P = 3·Iph²·R = 3·8,32²·7 = 1,454 kW

Відповідь

P = 1,454 kW

Перевірка: cos φ = R/|Z| = 0,28, і √3·VL·IL·cos φ дає ту саму потужність.

10.Трифазні системи

Відповідь: Cph = 519,9 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 = 120·tan(acos 0,78) = 120·0,8023 = 96,27 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,92) = 120·0,426 = 51,12 kvar

Реактивна потужність від конденсаторів

QC = Q1 − Q2 = 45,15 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15051/(377·277,1²) = 519,9 µF

Відповідь

Cph = 519,9 µF
11.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,1312 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 і кінцевий струм

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

τ = L/R = 150 mH / 15 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 5/15 = 0,3333 A

Струм у заданий момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,3333·(1 − e−5/10) = 0,1312 A

Відповідь

i = 0,1312 A
12.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i2 = 0,1976 mA

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.

Початкова напруга на конденсаторі

В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.

vC(0) = 6·4,7/(10 + 4,7) = 1,918 V

Стала часу після розмикання ключа

τ = R2·C = 4,7·22 = 103,4 ms

Розряджання

vC(t) = 1,918·e−75/103,4 = 0,9288 V
i2 = vC/R2 = 0,9288/4,7 = 0,1976 mA

Відповідь

i2 = 0,1976 mA
13.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 0,8333 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​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​3 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 = 4·3/(4+3) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 6 = 7,714 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAab+−Vth​

Знайдіть Vth — напругу холостого ходу

Коли a–b розімкнені, через R₃ струм не тече, тож спаду на ньому немає і V_b = V_A. R₁ і R₂ утворюють дільник напруги.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·3/(4+3) = 6,429 V
IN​0,8333 ARth​7,714 Ωab

Еквівалент Нортона

Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.

IN = Vth/Rth = 6,429/7,714 = 0,8333 A
14.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 3,514 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​ = 3 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​25 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 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 6 = 8,679 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​25 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) = 4,464 + 3·2,679 = 12,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,5 + 3·6 = 30,5 V
IN​3,514 ARth​8,679 Ωab

Еквівалент Нортона

Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.

IN = Vth/Rth = 30,5/8,679 = 3,514 A
15.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: ∠G(jω) = −106,9 °

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.

Додайте кути

∠G = atan(15/12) − 90° − atan(15/6) = 51,34° − 90° − 68,2°

Результат

∠G(j15) = −106,9°

Відповідь

∠G(jω) = −106,9°
16.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: K = 113,3

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/2)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(2·8) = 4 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 64)) = K/(2·8·(2 + 8)) = K/160

Потрібне підсилення

160/K = 103/20 = 1,413
K = 160/1,413 = 113,3

Відповідь

K = 113,3

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