Eşkenar dörtgen, B düğümüne yukarı doğru 0,05·VA akımını (A cinsinden, VA V cinsinden) iten gerilim kontrollü bir akım kaynağıdır. Düğüm analizi kullanarak VB düğüm gerilimini (topraktan ölçülen) bulun.
Doğrusal dirençli bir devrede üç bağımsız kaynak vardır: V1, V2 ve Is. Bir yükten geçen I akımı üç kez ölçülür. Tüm kaynaklar normal değerlerindeyken I = 8 mA. V1 iki katına çıkarılıp diğer ikisi değişmediğinde I = 16,5 mA. Is kaynağının yönü ters çevrilip diğer ikisi değişmediğinde I = 2 mA. V2 kapatıldığında ve V1 ile Is normal değerlerindeyken yük akımı I değerini bulun.
normal: I = 8 mA2·V1: I = 16,5 mA−Is: I = 2 mA
I = mA
9.Thévenin ve NortonOrta
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
10.Thévenin ve NortonZor
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.Op-amp devreleriOrta
Op-amp idealdir ve ±15 V ile beslenir. Çıkış gerilimi Vout değerini bulun.
Vin = 1,1 VR1 = 2 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
12.Op-amp devreleriZor
İntegral alıcı, ±15 V ile beslenen ideal bir op-amp kullanır; çıkışı ±14 V’ta doyuma ulaşır. t = 0’da sabit bir Vin = −2,4 V girişi uygulandığında kondansatör yüksüzdür. t = 2 ms anında çıkış gerilimi Vout değerini bulun.
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. Devre kararlı hâle geldiğinde bobinde depolanan enerji W(∞) değerini mJ cinsinden bulun.
Vs = 9 VR = 22 ΩL = 47 mH
W(∞) = mJ
14.RC ve RL geçici rejimZor
Bir zamanlayıcı, t = 0’da 9 V’luk bir kaynaktan bir direnç üzerinden yüksüz bir kondansatörü doldurmaya başlıyor. Kondansatör gerilimi 5,4 V’a ulaştığında, başlangıçtan tam 25 ms sonra tetiklemelidir. C = 22 µF ile gereken direnç R değerini bulun.
Vs = 9 VVth = 5,4 VT = 25 msC = 22 µF
R = kΩ
3Çözeltiler
1.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,667 A
Seri ve paralel dirençler: seride her dirençten aynı akım geçer ve R = R₁ + R₂ + …. Paralelde her direncin gerilimi aynıdır ve 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Merdiven ağı, tek bir eşdeğer direnç kalana kadar çift çift indirgenir.
Dirençleri en uzak uçtan birleştirin
Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.
R3 + R4 = 2 + 2 = 4 Ω
R2 ∥ 4 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Req = R1 + 3 = 6 + 3 = 9 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 15/9 = 1,667 A
Cevap
IR1 = 1,667 A
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 27,35 Ω
Seri ve paralel dirençler: seride her dirençten aynı akım geçer ve R = R₁ + R₂ + …. Paralelde her direncin gerilimi aynıdır ve 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Merdiven ağı, tek bir eşdeğer direnç kalana kadar çift çift indirgenir.
Dirençleri en uzak uçtan birleştirin
Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.
R5 + R6 = 30 + 25 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 2,845 Ω
R3 + 2,845 = 10,84 Ω
R2 ∥ 10,84 = 2,35 Ω
Req = R1 + 2,35 = 25 + 2,35 = 27,35 Ω
Cevap
Req = 27,35 Ω
3.Düğüm analizi
Cevap: PIs = 61,68 W
Düğüm analizi: bir referans düğüm seçin, bilinmeyen düğüm gerilimlerini adlandırın, Ohm yasasını (I = ΔV/R) kullanarak her bilinmeyen düğümde Kirchhoff akım yasasını yazın ve denklemleri çözün.
A düğümünde KAY
A düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların A düğümüne verdiği akıma eşittir.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 10)/6 + (VA − VB)/20 = 0
0,3833·VA − 0,05·VB = 1,667
B düğümünde KAY
B düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların B düğümüne verdiği akıma eşittir.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/20 = 2,5
−0,05·VA + 0,1167·VB = 2,5
Çözün
Δ = (0,3833)(0,1167) − (−0,05)(−0,05) = 0,04222
VA = Δ1/Δ = 0,3194/0,04222 = 7,566 V
VB = Δ2/Δ = 1,042/0,04222 = 24,67 V
Akım kaynağının verdiği güç
Kaynak Iₛ’yi topraktan (0 V) VB’e, yukarı doğru B düğümüne iter. Akımı + ucundan çıkan bir kaynak P = V·I güç verir.
PIs = VB·Is = 24,67·2,5 = 61,68 W
Cevap
PIs = 61,68 W
4.Düğüm analizi
Cevap: VB = 2,031 V
Düğüm analizi: bir referans düğüm seçin, bilinmeyen düğüm gerilimlerini adlandırın, Ohm yasasını (I = ΔV/R) kullanarak her bilinmeyen düğümde Kirchhoff akım yasasını yazın ve denklemleri çözün.
A düğümünde KAY
Dirençler üzerinden A’dan çıkan akımlar, kaynakların A’ya ittiği akıma eşittir.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,375·VA − 0,1667·VB = 0,8333
B düğümünde KAY
Bağımlı kaynak B düğümüne g·VA iter. Onu bağımsız bir kaynak gibi ele alın, sonra VA terimini sol tarafa taşıyın.
Çevre analizi: düzlemsel bir devrenin her penceresine kendi çevre akımını verin, her çevrede Kirchhoff gerilim yasasını yazın (düşümlerin toplamı = artışların toplamı) ve çözün. Kol akımları çevre akımıdır veya ortak kolda iki çevre akımının farkıdır.
Çevre akımlarını atayın
Her pencereye saat yönünde bir akım çizin: I1, I2. İki çevrenin ortak direnci, bu akımların farkını taşır.
1 çevresinde KGY
Saat yönünde ilerlerken dirençlerdeki gerilim düşümleri kaynak gerilim artışlarına eşittir (ilerleme yönünde −’den +’ya).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
6·I1 + 5(I1 − I2) = 6
11·I1 − 5·I2 = 6
2 çevresinde KGY
Saat yönünde ilerlerken dirençlerdeki gerilim düşümleri kaynak gerilim artışlarına eşittir (ilerleme yönünde −’den +’ya).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 5(I2 − I1) = (−30)
−5·I1 + 20·I2 = −30
Çözün
Δ = (11)(20) − (−5)(−5) = 195
I1 = Δ1/Δ = −30/195 = −0,1538 A
I2 = Δ2/Δ = −300/195 = −1,538 A
Cevap
IR3 = I1 − I2 = 1,385 A
VR3 = IR3·R3 = 1,385·5 = 6,923 V
Negatif bir çevre akımı saat yönünün tersine akar.
6.Çevre analizi
Cevap: VR4 = 12,27 V
Çevre analizi: düzlemsel bir devrenin her penceresine kendi çevre akımını verin, her çevrede Kirchhoff gerilim yasasını yazın (düşümlerin toplamı = artışların toplamı) ve çözün. Kol akımları çevre akımıdır veya ortak kolda iki çevre akımının farkıdır.
Çevre akımlarını atayın
Her pencereye saat yönünde bir akım çizin: I1, I2, I3. İki çevrenin ortak direnci, bu akımların farkını taşır.
1 çevresinde KGY
Saat yönünde ilerlerken dirençlerdeki gerilim düşümleri kaynak gerilim artışlarına eşittir (ilerleme yönünde −’den +’ya).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
4·I1 + 6(I1 − I2) = 15
10·I1 − 6·I2 = 15
2 çevresinde KGY
Saat yönünde ilerlerken dirençlerdeki gerilim düşümleri kaynak gerilim artışlarına eşittir (ilerleme yönünde −’den +’ya).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
8·I2 + 6(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 44·I2 − 30·I3 = 0
3 çevresinde KGY
Saat yönünde ilerlerken dirençlerdeki gerilim düşümleri kaynak gerilim artışlarına eşittir (ilerleme yönünde −’den +’ya).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
6·I3 + 30(I3 − I2) = (−36)
−30·I2 + 36·I3 = −36
Çözün
Δ = katsayılar matrisinin determinantı = 5544
I1 = Δ1/Δ = 3780/5544 = 0,6818 A
I2 = Δ2/Δ = −7560/5544 = −1,364 A
I3 = Δ3/Δ = −11844/5544 = −2,136 A
Cevap
IR4 = I1 − I2 = 2,045 A
VR4 = IR4·R4 = 2,045·6 = 12,27 V
Negatif bir çevre akımı saat yönünün tersine akar.
7.Süperpozisyon
Cevap: PR3 = 21,6 W
Süperpozisyon: doğrusal bir devrede her gerilim veya akım, tek başına etkiyen her bağımsız kaynağa verilen yanıtların toplamıdır. Bir kaynağı kapatmak için ideal gerilim kaynağını kısa devre, ideal akım kaynağını açık devre ile değiştirin. Dirençler yerinde kalır.
Durum 1 · yalnızca V1
Iₛ açık devre olur, bu yüzden R₃ ve R₄ A’dan toprağa tek bir seri kol oluşturur; bu kol R₂ ile paraleldir.
R3+R4 = 15+15 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·30/(6+30) = 5 Ω
VA = 12·5/(10+5) = 4 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4·15/30 = 2 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (4 − 2)/15 = 0,1333 A
Durum 2 · yalnızca Is
V₁ kısa devre olur, bu yüzden R₁, R₂ ile paraleldir. Iₛ, B’de R₄ ile R₃ üzerinden geçen yol arasında bölünür.
R1 ∥ R2 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 18,75 = 8,333 Ω
VB = Is·Req = 3·8,333 = 25 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 25·3,75/18,75 = 5 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (5 − 25)/15 = −1,333 A
Akım katkılarını toplayın
IR3 = IR3′ + IR3″ = 0,1333 + (−1,333) = −1,2 A
Dirençteki güç
Güç akımın karesine bağlıdır, bu yüzden süperpozisyona uymaz: önce akımları toplayın, sonra karesini alın.
PR3 = IR3²·R3 = (−1,2)²·15 = 21,6 W
Cevap
PR3 = 21,6 W
Ayrı durumların güçlerini toplamak 26,93 W verirdi; bu yanlıştır.
8.Süperpozisyon
Cevap: I = 11,5 mA
Süperpozisyon: doğrusal bir devrede her gerilim veya akım, tek başına etkiyen her bağımsız kaynağa verilen yanıtların toplamıdır. Bir kaynağı kapatmak için ideal gerilim kaynağını kısa devre, ideal akım kaynağını açık devre ile değiştirin. Dirençler yerinde kalır.
Ölçümleri katkılarla yazın
Her katkı kendi kaynağıyla orantılıdır.
I₁ + I₂ + I₃ = 8
2·I₁ + I₂ + I₃ = 16,5
I₁ + I₂ − I₃ = 2
Katkıları çözün
I₁ = 16,5 − 8 = 8,5 mA
I₃ = (8 − 2)/2 = 3 mA
I₂ = 8 − 8,5 − 3 = −3,5 mA
V₂’yi kapatın
I = I₁ + I₃ = 8,5 + 3 = 11,5 mA
Cevap
I = 11,5 mA
9.Thévenin ve Norton
Cevap: Vth = 5,625 V
Thévenin teoremi: her doğrusal iki uçlu ağ, Rth direncine seri tek bir Vth gerilim kaynağı gibi davranır. Norton teoremi aynı ağı Rth ile paralel IN = Vth/Rth akım kaynağı olarak verir.
Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun
Gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devreyle değiştirin, sonra devreye a–b’den bakın.
R1 ∥ R2 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 3 = 6,75 Ω
Açık devre gerilimi Vth’yi bulun
a–b açıkken R₃’ten akım geçmez, bu yüzden üzerinde düşüm yoktur ve V_b = V_A olur. R₁ ve R₂ bir gerilim bölücü oluşturur.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 9·10/(6+10) = 5,625 V
10.Thévenin ve Norton
Cevap: Vth = −8,565 V
Thévenin teoremi: her doğrusal iki uçlu ağ, Rth direncine seri tek bir Vth gerilim kaynağı gibi davranır. Norton teoremi aynı ağı Rth ile paralel IN = Vth/Rth akım kaynağı olarak verir.
Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun
Gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devreyle değiştirin, sonra devreye a–b’den bakın.
R1 ∥ R2 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 2 = 7,217 Ω
Açık devre gerilimi Vth’yi bulun
a–b açıkken Iₛ’nin tek yolu R₃ üzerinden A düğümüne gitmektir. V_A’yı V₁ ve Iₛ’nin süperpozisyonuyla bulun, sonra R₃ üzerindeki düşümü ekleyin.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5,87 + (−2)·5,217 = −4,565 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −4,565 + (−2)·2 = −8,565 V
11.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = 6,6 V
İdeal op-amp kuralları: negatif geri beslemeyle op-amp çıkışını iki girişi aynı gerilimde olacak şekilde sürer (V₋ = V₊) ve hiçbir girişe akım girmez. Bu iki gerçekle eviren girişte KAY yazmak çıkışı verir.
Eviren giriş girişi izler
V₋ = V₊ = 1,1 V
I = V₋/R1 = 1,1/2 = 0,55 mA
Çıkış gerilimi
R₁’deki akım Rf’den de geçer.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,1 + 0,55·10 = 6,6 V
Cevap
Vout = 6,6 V
12.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = 4,642 V
İdeal op-amp kuralları: negatif geri beslemeyle op-amp çıkışını iki girişi aynı gerilimde olacak şekilde sürer (V₋ = V₊) ve hiçbir girişe akım girmez. Bu iki gerçekle eviren girişte KAY yazmak çıkışı verir.
Giriş akımı ve değişim hızı
kΩ çarpı µF milisaniye verir.
RC = 2,2 kΩ · 0,47 µF = 1,034 ms
değişim hızı = −Vin/(RC) = −(−2,4)/1,034 = 2,321 V/ms
Verilen andaki çıkış
İdeal değer ±Vsat içindedir, bu yüzden integral alıcı henüz kırpılmamıştır.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2,4)·2/1,034 = 4,642 V
Cevap
Vout = 4,642 V
13.RC ve RL geçici rejim
Cevap: W(∞) = 3,933 mJ
Birinci derece geçici rejim: tek kondansatörlü veya tek bobinli bir devrede her gerilim ve akım başlangıç değerinden son değerine üstel olarak gider: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC veya τ = L/R ile. Yaklaşık 5τ sonra devre oturur.
Zaman sabiti ve son akım
Anahtar kapandıktan uzun süre sonra bobin kısa devre gibi davranır; bu yüzden son akımı yalnızca R belirler.
τ = L/R = 47 mH / 22 Ω = 2,136 ms
i(∞) = Vs/R = 9/22 = 0,4091 A
Depolanan enerji
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·47·0,4091² = 3,933 mJ
Cevap
W(∞) = 3,933 mJ
14.RC ve RL geçici rejim
Cevap: R = 1,24 kΩ
Birinci derece geçici rejim: tek kondansatörlü veya tek bobinli bir devrede her gerilim ve akım başlangıç değerinden son değerine üstel olarak gider: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC veya τ = L/R ile. Yaklaşık 5τ sonra devre oturur.